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Aplicao de um sistema rigoroso de controle na execuo das estacas cravadas na Arena Grmio

Do Val, Eduardo Cerqueira Do Val Engenharia Consultiva Ltda., So Paulo, SP, eduardo@doval.eng.br

Uemura, Srgio Alexandre Do Val Engenharia Consultica Ltda., So Paulo, SP, sergio@doval.eng.br

Resumo: Peculiaridades geolgico-geotcnicas existentes no local de implantao da Arena Grmio causaram comportamentos inesperados das estacas cravadas em relao s suas capacidades esperadas com base nos mtodos semiempricos usuais, revelados aps ensaios de carregamento dinmicos de rotina. A inaplicabilidade de mtodos baseados em sondagens SPT para definio das cargas admissveis das estacas levou adoo de um sistema de controle executivo que assegurasse um bom desempenho das fundaes. Tal sistema contemplou a execuo de provas de carga em todas as estacas, utilizando-se um mtodo simplificado baseado na nega e repique registrados com energia crescente, proposto por Aoki (2009). Dessa maneira foi possvel estabelecer as probabilidades de falha em cada bloco, subsidiando a construtora na sua deciso da aceitabilidade da fundao.

Abstract: Existing geological-geotechnical peculiarities on the site of the Gremio Arena caused unexpected response of the driven piles with respect to their estimated capacities based on usual semi empirical methods, as revealed by routine dynamic loading tests. The non-applicability of methods based on SPT borings for the definition of allowable loads on the piles led to the adoption of a construction control system that assured a good performance of the foundations. Such system envisioned load tests carried out on all piles, using a simplified procedure based in sets and rebounds registered under increasing energy, proposed by Aoki (2009). In this way it was possible to establish the probabilities of failure in each block, thus subsidizing the general contractor in his decision of the foundation acceptability.

1 DESCRIO

A Arena Grmio, situada na regio norte de Porto Alegre, no bairro de Humait, junto divisa com Canoas, ser um estdio moderno padro FIFA para 60.000 espectadores. Sua estrutura principal de concreto armado, provida de cobertura metlica, e foi dividida em dez setores: Norte, Nordeste, Leste 1, Leste 2, Sudeste, Sul, Sudoeste, Oeste 1, Oeste 2 e Noroeste, totalizando aproximadamente 345.000 m de rea construda. O ingresso de pedestres ser feito por meio de um mezanino constitudo por uma estrutura metlica em anel em torno do estdio, provida e rampas.

O subsolo da regio est inserido numa plancie flvio-lagunar com banhado da Bacia Sedimentar de Pelotas, assim descrita por Dias et al (2009):

O sistema deposicional Laguna-Barreira IV isolou essa rea em depresso, ficando representada pelo

sistema lagunar Guaba-Gravata. A posterior sedimentao trazidas pelos rios transformou essa depresso em ambientes de sedimentao fluvial, lagunar e paludal e, posteriormente, importantes depsitos turfceos se desenvolveram.

De idade Holocnica, este padro configura-se em uma extensa rea plana, localizada ao norte do municpio, apresenta cotas altimtricas inferiores aos 20 m e com declividades menores do que 2%. A rede de drenagem representada pelos banhados e por canais retilinizados.

Este conjunto de formas de relevo constitudo por depsitos do sistema Laguna-Barreira IV, caracterizado como depsitos de plancie associados a canais fluviais, apresenta areias grossas e conglomerticas. Os solos so classificados como gleissolos, planossolos localizados em reas de acumulao de gua, so caracterizados como um

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ambiente que evidencia a ausncia de oxignio propiciando processos de acumulao de material orgnico e intensa reduo qumica.

Esses paleocanais citados por Dias et al (2009) devem ter sido a origem de certa heterogeneidade observada nas sondagens. Os setores Norte, Nordeste, Leste 1 e 2 e Sudeste so caracterizados basicamente por uma camada de argila mole, com espessura variando de 5 a 7 m, sobrejacente a uma areia siltosa mdia que se estende at cerca de 20 m, onde se encontra uma camada de areia com pedregulhos esparsos, seguida de outras areias ora mais finas, ora mais grossas, com lentes de argilas nas redondezas de 30 m de profundidade. J nos setores restantes a camada de argila mole apresentou maiores espessuras, entre 12 e 14 m, e a camada de areia com pedregulhos esparsos nem sempre foi detectada nas sondagens.

O mezanino tem como fundaes estacas hlice contnua monitorada. Estas esto em fase final de execuo seguindo-se os padres usuais de controle e no sero tratadas neste artigo.

J a fundao da Arena composta por estacas pr-moldadas de concreto armado e perfis metlicos, cujas sees e respectivas cargas de trabalho esto apresentadas na Tabela 1. Foram cravadas 2883 estacas com comprimento mdio de 25 m, 91% das quais so estacas pr-moldadas e os 9% restantes perfis metlicos. A maioria dos blocos composta por quatro ou duas estacas, mas as caixas principais so apoiadas em blocos de 16 a 40 estacas, conforme ilustrado na Fig. 1.

Tabela 1 Dimenses e cargas das estacas

Originalmente, o projeto pr-fixou os comprimentos a serem cravados em cada bloco, independentemente da nega obtida.

No entanto, os resultados dos primeiros ensaios de carregamento dinmico (ECDs) executados conforme NBR 13208:2007 como rotina do controle de qualidade da obra indicaram alguns casos de

capacidade de carga insatisfatrios, demonstrando insuficincia de comprimento de estacas.

Para corrigir essas no conformidades, o critrio de paralisao da cravao das estacas foi alterado, passando de comprimentos pr-fixados para resistncias medidas ao final da cravao.

No entanto, a aplicao do critrio usual de nega, calculada pelas frmulas Dinamarquesa e de Janbu (Poulos e Davis, 1980) levariam a comprimentos ainda menores do que aqueles obtidos por mtodos semiempricos que se revelaram insuficientes.

Fig. 1 Planta chave da Arena Grmio.

Diante de tal cenrio, onde as previses, fossem elas baseadas nas frmulas semiempricas, fossem nas negas, no encontravam comparao razovel com a realidade representada pelas ECDs, a soluo, proposta pelo Prof. Nelson Aoki, foi executar provas de carga em todas estacas. Isso permitiria Obra decidir pela aceitao ou no de cada bloco de estacas com base numa avaliao criteriosa da probabilidade de falha. Obviamente, no se cogitou em realizar tais provas de carga utilizando-se equipamento PDA (pile driving analyzer) e muito menos provas de carga estticas (PCEs), seja pelos custos, seja pelos prazos envolvidos. Aplicou-se ento o novo processo baseado em negas e repiques sob energias crescentes, denominado D+s desenvolvido tambm por Aoki (2009). Nos itens seguintes so descritos os critrios de anlise e o procedimento de controle adotado.

2 SONDAGENS

At os primeiros ECDs acusarem insuficincia de carga em algumas estacas, haviam sido realizadas duas campanhas de sondagens de simples reconhecimento com SPT (NBR 6484:2001), uma pela Fundasolos em 2009 e a outra pela Geotec em 2010. Uma terceira campanha, executada pela

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Concremat em 2011 confirmou alguma paridade nos perfis de resistncia com a profundidade at cerca de 20 m, onde ocorrem as primeiras camadas com pedregulhos, assim como as disparidades abaixo dessa profundidade. Na Fig. 2 so comparados os perfis de trs furos prximos, situados no setor Norte. Tais resultados no permitiram estabelecer correlaes minimamente confiveis entre comportamentos previstos e observados por meio da aplicao dos mtodos semiempricos consagrados pela prtica nacional (Aoki-Velloso, 1975, Dcourt-Quaresma, 1978, etc.).

Fig. 2 - Comparao de trs sondagens prximas entre si, no setor Norte.

Assim, foram executados ensaios de penetrao de cone in situ conforme NBR 12069:1991 (sondagens CPTu) para estabelecer um perfil de resistncia com a profundidade mais confivel at a camada com pedregulho. Para alm dessa profundidade, recorreu-se a extrapolaes, conforme descrito a seguir.

3 CRITRIOS DE ANLISE

Aplicando-se o mtodo semiemprico de Philipponnat (1978), foram geradas curvas tericas carga de ruptura x profundidade baseadas nas sondagens CPTu. Essas curvas foram extrapoladas abaixo da camada com pedregulho utilizando linhas de

tendncia exponenciais ou logartmicas, conforme a aderncia observada dos pontos.

Comparando-se essas curvas com os resultados dos ECDs prximos foi possvel calibrar a frmula de Philipponnat introduzindo-se um coeficiente de ajuste Ck para cada sondagem CPTu e para cada tipo e bitola de estaca em particular. Pde-se assim estabelecer previses de comprimentos mais confiveis, porm ainda estimadas, sujeitas a confirmao.

Tal confirmao foi feita por meio de provas de carga D+s e ECDs, recravando-se aquelas estacas cujos resultados no atendiam s solicitaes de projeto.

Na anlise dos resultados dos ECDs realizados sobre estacas de diversas idades foi constatado o fenmeno de regenerao do solo (set-up), em que a carga de ruptura aumenta ao longo do tempo (ver item 4). Assim, na avaliao do desempenho de cada estaca foi levado em conta o efeito de set-up.

Dessas consideraes foi possvel ento se determinar, para cada bloco, as cargas resistentes caractersticas e sua variabilidade e, por comparao estatstica com as cargas solicitantes caractersticas e respectiva variabilidade, tal como informada pelo projeto estrutural, a probabilidade de falha de cada bloco. Esse procedimento foi adotado tambm por recomendao do Prof. Nelson Aoki com vistas a atender s exigncias estabelecidas pela nova NBR 6122:2010.

4 AVALIAO DO SET-UP

Para definio do set-up a ser adotado nas previses de comportamento foram analisados ECDs realizados sobre a mesma estaca em datas diferentes. Depois, foi feita uma comparao estatstica entre cargas de ruptura iniciais e finais.

Na Tabela 2 esto apresentadas as cargas medidas e respectivas datas e, na Fig. 3, o grfico de cargas resistentes iniciais (Rinicial) x cargas resistentes finais (Rfinal) de estacas de concreto. Como mostrado nessa figura, os pontos assim definidos esto razoavelmente alinhados ao longo de uma reta cujo coeficiente angular igual a 1,25. Dessa forma, foi adotado para fins de previso de capacidade de carga das estacas de concreto um set-up igual a 25%.

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Tabela 2 Cargas de ruptura medidas em estacas de concreto em diversas datas

Fig. 3 - Grfico Rinicial x Rfinal.

5 MTODO D+s

Este mtodo tem como finalidade estimar a capacidade de carga ao final da cravao, obtida a partir das negas (s) e repiques (K) tomadas sob energias crescentes de cravao, conforme Fig. 4.

Fig. 4 - Grfico nega e repique

Com os valores de K, s e E possvel gerar curvas resistncia x deslocamento, (Fig. 5 e 6), a partir da seguinte formulao:

E = Pm h ef (1)

E = energia Pm = peso do martelo de cravao h = altura de queda ef = eficincia do sistema de cravao

R = (Z E) (s + D) (2)

R = resistncia Z = zeta s = nega D = deslocamento total K + s

Seo(cm) Data Qrup. (tf) Data Qrup. (tf)

Nordeste E13 60 16/02/2011 350 01/03/2011 470Nordeste E109 42 27/09/2010 197 01/03/2011 320Nordeste E112 42 27/09/2010 147 15/10/2010 250Leste 2 E169 60 15/02/2011 189 02/03/2011 215Oeste 1 E09 60 17/11/2010 445 02/03/2011 525Oeste 1 E172 50 03/02/2011 189 02/03/2011 230Oeste 2 E80 50 15/02/2011 380 02/03/2011 435

2. EnsaioSetor Estaca 1. Ensaio

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Fig. 5 Exemplo de curva D+s com ruptura bem definida.

Fig. 6 Exemplo de curva D+s com ruptura definida pela curva mdia extrapolada.

Quando a ruptura bem caracterizada na curva adota-se como resistncia ltima aquela correspondente ao pico, tal como mostrado na Fig. 5, ou aquela correspondente reta aproximadamente vertical que define o plat de escoamento.

No caso em que no foi possvel identificar a ruptura, foi adotada, de acordo com a recomendao da NBR 6122, aquela correspondente interseco da

curva mdia extrapolada com a reta elstica deslocada, tal como mostrado na Fig. 6.

6 PROBABILIDADE DE FALHA

Para cada bloco da Arena Grmio foi determinada a probabilidade de falha, adotando o mtodo probabilstico divulgado tambm pelo Prof. Nelson Aoki (2002).

Rrup

Ponto de ruptura

Cruzamento reta elstica deslocada x curva mdia

Rrup

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A probabilidade de falha foi determinada a partir das curvas de distribuio estatstica de solicitao S, representada pelo valor mdio Sm e o desvio padro S, e a curva de resistncia R pelo valor mdio Rm e o desvio padro R, conforme apresentado na Fig. 7.

Os valores mdios representam o valor mais provvel de cada varivel e os desvios padres, que definem os pontos A e B de inflexo das curvas, mede a disperso em torno do valor mdio das variveis independentes S e R. Esta disperso pode ser expressa pelos coeficientes de variao, conforme as equaes 3 e 4:

/ coef. de variao da solicitao (3)

/ coef. de variao da resistncia (4)

A distncia MS, que separada a solicitao mdia da resistncia mdia,

pode ser diretamente relacionada segurana e a confiabilidade, ou seja, quanto maior for esta distncia maior ser a segurana e confiabilidade da fundao. Considerando que a solicitao e a resistncia sejam estatisticamente independentes, a margem de segurana M pode ser definida pela diferena entra as curvas de resistncia R e a solicitao S, ver equao 5.

(5)

Deste modo, a falha ocorre quando M < 0, ou seja, quando R S, e a fundao bem sucedida quando M > 0. Portanto, pode-se afirmar que o afastamento entre as duas curvas, determinada pela margem de segurana, uma medida direta da confiabilidade da fundao. Neste caso a distribuio normal de S e de R, desvio padro M da funo margem de segurana M vale:

, (6) O valor mais provvel de margem de segurana

o valor mdio MS que vale:

(7)

Assim, a confiabilidade mdia pode ser quantificada pelo quociente entre MS e M, que a margem de segurana, denominada ndice de confiabilidade (ou ndice de segurana) :

/ (8)

A probabilidade de falha pf uma funo direta do ndice de confiabilidade:

1 (9)

7 RELAO ENTRE O MTODO D+s E O ENSAIO DE CARREGAMENTO DINMICO

Comparando-se os resultados obtidos pelo mtodo D+s com os resultados dos ensaios de carregamento dinmico, resulta uma reta cujo coeficiente angular igual a 0,91, conforme apresentado na Tabela 3 e Fig. 8.

8 PROCEDIMENTO DE CONTROLE DE CRAVAO DAS ESTACAS

Em funo dos estudos elaborados para calibrao do mtodo de Philliponnat para estimativa preliminar dos comprimentos das estacas e do processo D+s para determinao da carga de ruptura ao final da cravao, foram estipulados, em comum acordo com a projetista, o consultor especial, Prof. Nelson Aoki, e a gerncia da Obra, os procedimentos de controle de cravao das estacas.

Por meio desse controle foi possvel se estabelecer, para cada bloco, a probabilidade de ocorrncia de falha, bem como o correspondente fator de segurana associado, os quais subsidiaram a gerncia da Obra no estabelecimento dos critrios de aceitao de cada bloco.

Fig. 7 - Curva de densidade de probabilidade de solicitao e resistncia.

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Tabela 3 Comparao de cargas medidas por diferentes mtodos

Fig. 8 Comparao dos resultado da Metodo D+s e ECDs.

8.1 Estacas a serem cravadas

Para as novas estacas foram estimados os comprimentos mnimos necessrios seguindo-se os critrios apresentados no item 3. Ao atingir tais comprimentos, cada estaca era submetida ao ensaio de energia crescente (D+s). Considerando a resistncia R assim obtida e a solicitao S informada pelo projetista estrutural, calculava-se o fator de segurana individual FS = R/S. A depender do valor de FS, a estaca seria aceita ou no conforme os seguintes critrios:

FS 2,0 estaca boa, pode ser arrasada; 1,6 FS < 2,0 consultar a projetista e/ou o

consultor de solos; FS < 1,6 prosseguir a cravao mais 2,0 m e

refazer o ensaio.

No clculo de R pelo mtodo D+s diferenciaram-se as estacas de concreto das estacas metlicas conforme os parmetros a seguir:

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8.1.1 Estacas de concreto

Zeta =1,54; Eficincia do Martelo:

Hidrulico de 7 tf = 0,8; Hidrulico de 4 tf = 0,6; Queda livre = 0,4.

Set-up = 25%

8.1.2 Estacas metlicas

Zeta = 1,22; Eficincia do Martelo:

Hidrulico de 7 tf = 0,98; Hidrulico de 4 tf = 0,72; Queda livre = 0,48.

Set-up = zero

8.2 Estacas j cravadas

Nos setores onde havia estacas cravadas foram feitas anlises estatsticas individualizadas, bloco a bloco, para se determinar a probabilidade de falha.

Para tal anlise foram estimadas as cargas de ruptura das estacas a partir dos comprimentos cravados e da curva carga de ruptura x profundidade do CPTu correspondente, calibrado pelos ECDs com FS = 1,60.

A caracterizao dos esforos solicitantes pelas cargas caractersticas aplicadas s estacas e o respectivo coeficiente de variao (14%) foram fornecidos pela projetista estrutural. Foram fornecidos explicitamente os esforos dos setores norte, nordeste, leste 1, leste 2 e sudeste. Para os demais setores a projetista estrutural informou ser aplicvel o princpio de simetria.

Com as cargas de ruptura e cargas de trabalho foram determinados os fatores de segurana para cada estaca e bloco, FSlocal e FSbloco respectivamente e aplicados os seguintes critrios de aceitao:

FSbloco 1,6 e todas estacas com FSlocal 1,50 bloco OK;

Uma ou mais estacas do bloco com FSlocal 1,50 recravar essas estacas. Porm antes de iniciar a recravao devia-se realizar o ensaio de energia crescente (D+s) e avaliar o resultado. Caso resultasse FS 2,00, a estaca era liberada para ser arrasada; caso contrrio, deveria ser recravada conforme item 8.1.

Para as estacas submetidas a ECD ou PCE (prova de carga esttica), FSlocal 1,60.

9 PROVA DE CARGA ESTTICA

Para atender as prescries da NBR 6122:2010 foi executada uma prova de carga esttica no setor Oeste 2 da Arena sobre uma estaca 50 cm, com carga de trabalho de 100 tf, cravada conforme os procedimentos descritos no item 8.

A prova de carga foi realizada com carregamento rpido, conforme NBR 12131:2006.

A ruptura do sistema ocorreu com a carga de 1819 kN, conforme Fig. 9. Deste modo, o fator de segurana obtido foi de 1,8, o que atende aos critrios de aceitabilidade apresentados no item 8.2.

Fig. 9 Grfico carga recalque da prova de carga esttica.

10 COMENTRIOS FINAIS

O sistema de controle executivo aplicado na cravao das estacas pr-moldadas e metlicas da Arena Grmio permitiu que as estacas fossem cravadas com perdas mnimas, no mais do que os comprimentos estritamente necessrios para atender s solicitaes especficas de cada bloco.

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Fig. 10 Exemplos dos Boletins de campo.

Alm disso, permitiu oferecer aos engenheiros responsveis pela Obra os subsdios necessrios para que eles julgassem a aceitabilidade da fundao, bloco a bloco, tomando por base a probabilidade de falha e o fator de segurana. Note-se que, dessa forma, as responsabilidades foram atribudas a quem de direito, ou seja, projetista e aos consultores coube a responsabilidade de apresentar um retrato o mais fidedigno possvel da condio de cada bloco e, aos engenheiros responsveis pela Obra, a responsabilidade pela liberao dos servios executados. Em que pese tais vantagens desse controle rigoroso da execuo das estacas, h que se reconhecerem algumas importantes dificuldades enfrentadas. A qualidade dos grficos de nega e repique coletados pelos apontadores de campo variava conforme o zelo de cada apontador. A Fig. 10 ilustra dois boletins recebidos do campo, onde se notam as marcantes diferenas para interpretao dos valores de D e s medidos. Diferentemente do controle usual apenas por nega ou mesmo repique, onde a aceitao da estaca decidida imediatamente ao final da cravao pelo prprio fiscal de campo, com o sistema D + s necessria uma anlise, s vezes com algum grau de interpretao, por engenheiro devidamente instrudo. Isso demanda

algum tempo e, na Obra da Arena Grmio, essa anlise era feita ao fim do dia. Ou seja, s no dia seguinte a equipe de cravao sabia se a estaca estava boa ou se precisava ser recravada, prejudicando o bom andamento da Obra. Para permitir a coleta dos valores D e s as estacas tinham que sobrar cerca de 1 m acima do terreno, inviabilizando o emprego de suplemento ou prolonga (coluna de ao provida de capacete que permite cravar a estaca abaixo do nvel do terreno).

11 AGRADECIMENTOS

O desenvolvimento desse trabalho s foi possvel graas equipe de obra da Construtora OAS Ltda. cujo empenho os autores reconhecem. A participao da projetista das fundaes, Nouh Engenharia Ltda., e da projetista da estrutura, EGT Engenharia Ltda., no fornecimento de dados e nas ricas discusses tcnicas muito contriburam com a definio dos critrios de controle executivo. E a brilhante atuao do Prof. Nelson Aoki como idealizador e orientador da implantao do sistema foi vital ao sucesso atingido.

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12 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

NBR 6122 Projeto e execuo de fundaes, ABNT, 2010.

NBR 6484 Solo Sondagens de simples reconhecimento com SPT Mtodo de ensaio, ABNT 2001

NBR 12069 Solo Ensaio de penetrao de cone in situ Mtodo de ensaio. ABNT, 1991

NBR 12131 Estacas Prova de carga esttica Mtodo de ensaio. ABNT, 2006

NBR 13208 Estacas Ensaios de carregamento dinmico. ABNT, 2007

AOKI, N. (2002) Probabilidade de falha e carga admissvel de fundao por estacas. Revista Militar de Cincia e Tecnologia, v. XIX, Resende, RJ, 48-64

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