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Prova de Carga à Compressão Instrumentada em Estaca Cravada Moldada in loco do tipo Ecopile® Uberescilas Fernandes Polido GEOCONSULT/ CT-UFES, Vitória/ES, [email protected] Hugo Ferreira França COPPE-UFRJ/ GEOCONSULT, Vitória/ES, [email protected] Paulo José Rocha de Albuquerque UNICAMP, Campinas/SP, [email protected] Marcelo Felix KELLER Engenharia Geotécnica, Rio de Janeiro/RJ, [email protected] Tammo Koehler KELLER Engenharia Geotécnica, Rio de Janeiro/RJ, [email protected] RESUMO: O trabalho apresenta resultados de uma prova de carga à compressão instrumentada em profundidade (PCI), em uma estaca cravada com tubo metálico de ponta fechada, com concreto moldado in loco, do tipo Ecopile®, de diâmetro nominal de 0,46m, cravada até a profundidade de 17,75 m. O perfil geotécnico do terreno é constituído por solos argilosos médios a rijos e silto-arenosos medianamente compactos, com Nspt variando de 5 a 25. Um ensaio in situ com cone elétrico (CPT) mostrou qc variando de 1,0 MPa próximo à superfície até valores da ordem de 4,0 MPa na ponta da estaca. A prova de carga à compressão, instrumentada em profundidade por meio de strain-gauges, foi realizada em estágios de carga de 200 kN, até atingir a carga máxima de 2200 kN, tendo sido caracterizada a ruptura geotécnica nítida do sistema solo-estaca. Com base nos resultados da instrumentação foram determinadas as parcelas de transferência de carga por atrito lateral e ponta da estaca. PALAVRAS-CHAVE: Prova de Carga Instrumentada, Ecopile, Estaca Cravada Moldada in loco, Resistência por Atrito Lateral e Ponta. 1 INTRODUÇÃO
A estaca cravada de concreto moldado in loco
do tipo Ecopile® consiste na cravação de um tubo metálico com ponta fechada, introdução da armadura e concretagem com a retirada do tubo de revestimento. A tecnologia utilizada para a execução desta estaca deriva do procedimento denominado na Europa como DCIS (Driven
Cast In Situ) (Editora Rudder, 2012), ou driven
cast in place temporary cased piles (estaca cravada moldada in loco com revestimento temporário) descrita na norma européia DIN EN 12.699 (2000). No Brasil, a estaca foi
lançada pela KELLER Brasil ao final de 2011 (Editora Rudder, 2012).
Podem-se citar como características da estaca a produtividade, o fato de se tratar de uma estaca cravada moldada in loco, ou seja, poderá no caso de solo competente na ponta ter parte significativa de sua resistência transferida pela base e a possibilidade de ser armada de forma a resistir a elevados esforços de tração e flexão.
Atualmente os equipamentos existentes no Brasil permitem a execução de estacas com diâmetros de 340, 380, 430, 480, 530 e 610 mm, com capacidades de carga estrutural variando entre 600 e 1800 kN (KELLER,
2012). A limitação atual da técnica no Brasil é seu limite de comprimento devido ao equipamento de cravação utilizado, que atinge normalmente 18 m de profundidade, podendo chegar a um máximo de 21 m com a utilização de tubo prolonga.
Com o objetivo de avaliar a capacidade de carga da estaca tipo Ecopile® e a utilização de métodos brasileiros consagrados de previsão de capacidade de carga geotécnica, foi programada e executada uma prova de carga instrumentada em profundidade, levada até a ruptura geotécnica, possibilitando a separação das parcelas de atrito lateral e de ponta.
Nesse trabalho será relatada a experiência e os resultados da prova de carga e, em um segundo trabalho a ser publicado, a questão da utilização de métodos de estimativa de capacidade carga para este tipo de estaca.
2 CAMPO EXPERIMENTAL
O Campo Experimental onde foi realizada a Prova de Carga Instrumentada (PCI) está localizado no Centro Metropolitano, Barra da Tijuca, Rio de Janeiro/RJ. A área possui um extenso banco de dados de investigação com sondagens do tipo SPT, e o local exato da PCI foi selecionado e caracterizado através da execução de uma sondagem adicional SP-01, posicionada a aproximadamente 2 m da posição de execução da estaca piloto.
Durante a execução das estacas, os resultados da sondagem SP-01 se mostraram incompatíveis com os diagramas de cravação obtidos, motivo pelo qual foi realizada nova investigação, com uma sondagem do tipo SPT adicional (SP-02) e um ensaio de cone elétrico (CPT). As novas investigações indicaram um terreno diferente da sondagem inicial SP-01, desta vez condizente com o diagrama de cravação das estacas.
O perfil geotécnico indicado pela segunda sondagem SPT é apresentado na figura 1. Neste perfil pode-se observar um terreno com uma pequena camada de aterro e solo sedimentar arenoso superficial, seguido por um perfil de solo residual, predominantemente composto por solos argilosos médios a rijos, variando a silto-arenosos medianamente compactos, sem
tendência clara de aumento de resistência com a profundidade. No limite atingido pela estaca o solo apresenta Nspt da ordem de 13 e um qc da ordem de 4,0 MPa, dados estes também compatíveis. Na figura 2 é apresentado um gráfico a título comparativo das investigações realizadas.
Figura 1. Perfil Geotécnico e níveis da instrumentação da PCI.
Figura 2. Resultado das investigações execução da PCI.
3 PROCEDIMENTO EXECU O processo executivo da estaca tipo consiste na cravação de um tubo metálico de parede espessa com ponta fechadautilização de uma sapata perdidacomposta por uma espessa chapa metálica)o comprimento desejado, substrato resistente ou limite de cravação do equipamentoTerminada a cravação é procedida a introdução da armadura no interior do tuboseu preenchimento com concretoextração do tubo metálico é então realizada, simultaneamente à vibração do concreto através de golpes estáticos do martelo no topo do tubo(figura 3.d). Especificamente para a execução da estaca piloto deste trabalho, foi procedidconcretagem com o auxílio de um tubo
0 6 12 18 24
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
18,00
20,00
22,00
24,00
NSPT
qc (kPa), fs (kPa)
qc (kPa) fs (kPa)
SP-01 (Descartada) SP
realizadas para a
ROCEDIMENTO EXECUTIVO
staca tipo Ecopile®
m tubo metálico de fechada, com a
de uma sapata perdida (ponteira composta por uma espessa chapa metálica), até o comprimento desejado, substrato resistente ou limite de cravação do equipamento (figura 3.a).
inada a cravação é procedida a introdução no interior do tubo (figura 3.b) e
preenchimento com concreto (figura 3.c). A é então realizada,
vibração do concreto através lo no topo do tubo
ara a execução foi procedida a
lio de um tubo
tremonha, de forma a evitar instrumentação.
Figura 3. Procedimento executivo das estaEcopile® (adaptado DIN EN 12699
A chapa metálica utilizada na cravação não é retirada, e deste modo alargamento da base como estacas do tipo Franki, ou sejaresistência de ponta, a estaca um comportamento similaruma estaca pré-moldadaequivalente. Na figura 4 equipamento posicionado para aestaca piloto, o “funil” utilizado para preenchimento do furo e a ponteira para a cravação da estaca.
Figura 4. Equipamento posicionado para a c
30 36
0,00
2,00
4,00
6,00
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14,00
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22,00
24,00
fs (kPa)
SP-02
tremonha, de forma a evitar eventuais danos à
rocedimento executivo das estacas tipo
12699:2000).
zada na cravação não é modo não se obtêm o
como é observado em , ou seja, no que tange a
a estaca tipo Ecopile® tem similar ao esperado para moldada de diâmetro
Na figura 4 é apresentado o posicionado para a cravação da , o “funil” utilizado para
preenchimento do furo e a chapa metálica ou ponteira para a cravação da estaca.
posicionado para a cravação.
Devido ao processo executivo tremonha, o concreto utilizado fluidez, com Slump da ordem dePara a execução da prova de cargaum fck de 45 MPa, de forma a se obter elevada resistência inicial.
O equipamento utilizado para a cravação da estaca foi um martelo hidráulicoJUNTTAN SHK 110-5, indicado na figura 5peso de 50 kN (5.000 kg), altura máxima de queda de 1,20 m e energia máxima 72 kN.m. Para a cravação das estacas do testeuma altura de queda máxima de 0,60 m.
Figura 5. Equipamentos de Cravação.
A estaca piloto EP01 possuía nominal de 0,46 m e foi executada até profundidade limite do equipamentonum estrato pouco resistente, ondeuma nega aberta de 86 mm/10 golpescom altura de queda de 0,60 m. executadas quatro estacas de reação para prova de carga, todas elas com características similares às da estaca piloto.
Conforme já citado anteriormente, osdiagramas de cravação indicaramsignificativas com a expectativabase exclusivamente na sondagem especial no referente à nega de cravação obtida86 mm/10 golpes em um material inicialmente indicado com Nspt de 31. A nega obtidacondizente com a segunda sondagem executada, com Nspt de 13 ao nível da ponta da estaca,confirmado pelo resultado do CPT,um qc da ordem de 4,0 MPa ao motivo pelo qual, para as análises realizadassondagem inicial (SP-01) foi descartada
processo executivo com tubo foi de elevada
da ordem de 22±3 cm. a prova de carga, foi utilizado , de forma a se obter elevada
O equipamento utilizado para a cravação da estaca foi um martelo hidráulico do modelo
indicado na figura 5, de peso de 50 kN (5.000 kg), altura máxima de
de 1,20 m e energia máxima 72 kN.m. o teste foi adotada
0,60 m.
possuía diâmetro foi executada até a
mite do equipamento, 17,75 m, onde foi obtida
uma nega aberta de 86 mm/10 golpes do pilão, Foram também
estacas de reação para a com características
Conforme já citado anteriormente, os aram diferenças
expectativa inicial, com na sondagem SP-01, em
especial no referente à nega de cravação obtida, golpes em um material inicialmente
A nega obtida é segunda sondagem executada,
ponta da estaca, CPT, que atingiu ao mesmo nível,
, para as análises realizadas, a foi descartada.
4 PROVA DE CARGAINSTRUMENTADA
A PCI foi realizada 19 dias após a execução da estaca e seguiu as recomendações dabrasileira ABNT NBR 12.131carregamento à compressão foestágios sucessivos, de forma lenta,aguardada a estabilização ddestes estágios, e a carga foi levada até ruptura do sistema solodeslocamentos verticais a que foi submetida aestaca piloto foram medidos por um conjunto de quatro extensômetros mecânicostopo do bloco de coroamento e dispostos em eixos ortogonais. Para a execução da PCutilizado macaco com capacidade máxima de 4.000 kN (400 tf).
Como reação para o cana prova de carga, foram utilizadas estacas do mesmo tipo da estaca pilotocom comprimento de 17,75 minstalados tirantes com capacidade tração de 1000 kN cada,profundidade das estacas.
A instrumentação da estacarealizada por meio de extensômetros elétricos (strain-gauges), instaladosde aço instrumentadas (ponte ao estribo da armadura da estaca cinco diferentes níveis. Na figura 1 podem ser observadas as profundidades de instalação de cada um dos níveis. A figura instrumentadas instaladas na armadura da estaca piloto.
Figura 6. Barras instrumentadas
PROVA DE CARGA
19 dias após a execução da recomendações da norma NBR 12.131/2006. O
compressão foi aplicado em estágios sucessivos, de forma lenta, ou seja, foi
a estabilização da carga em cada um e a carga foi levada até a
ruptura do sistema solo-estaca. Os a que foi submetida a
foram medidos por um conjunto de tensômetros mecânicos, instalados no
topo do bloco de coroamento e dispostos em . Para a execução da PCI foi
utilizado macaco com capacidade máxima de
o carregamento aplicado foram utilizadas quatro
do mesmo tipo da estaca piloto, também 17,75 m, nas quais foram
com capacidade de carga à cada, ao longo de toda a
A instrumentação da estaca piloto foi
extensômetros elétricos instalados em pares de barras
ponte completa) fixadas ao estribo da armadura da estaca piloto em
s. Na figura 1 podem ser observadas as profundidades de instalação de
figura 6 mostra as barras instrumentadas instaladas na armadura da estaca
s na armadura da estaca.
Os extensômetros elétricos e terminais utilizados foram da marca Kyowa Eletronics Instruments: os strain-gauges, tipo biaxial (KFG-5-120-D16-11) e terminal T7. Os extensômetros elétricos foram protegidos de umidade e choques mecânicos com a utilização de resina de isolamento elétrico. Essa técnica de instrumentação está melhor descrita em Albuquerque (2001) e Alledi (2004), e já foi utilizada em diversas provas de carga instrumentadas em estacas hélice continua, estacas escavada e estacas metálicas, conforme Alledi et al. (2006), Albuquerque et al. (2007), Alledi et al. (2012), e Polido et al. (2012).
Com os resultados obtidos a partir da instrumentação foi possível avaliar a transferência de carga para o solo ao longo de todo o fuste da estaca, discriminando experimentalmente as parcelas de carga transferidas por atrito lateral daquela transferida pela ponta.
5 RESULTADOS
A estaca piloto foi levada até a carga de aproximadamente 2200 kN atingindo um deslocamento máximo de 49,95 mm, sem que fosse possível a estabilização a esta carga máxima. Foi registrado um deslocamento residual de 44,31 mm. Na figura 6 é apresentada a curva carga x deslocamento obtida na PCI.
Com base na figura 7 percebe-se que os deslocamentos permaneceram reduzidos até a carga de cerca de 1800 kN, com uma variação aproximadamente linear condizente com os deslocamentos esperados para a mobilização da parcela de atrito lateral. A partir deste carregamento, não foi possível a estabilização prevista pela norma para os dois estágios seguintes (critério de 5% da deformação). O deslocamento registrado sofreu um aumento significativo, indicativo da baixa resistência de ponta, conforme era esperado em função da nega aberta obtida na paralisação da cravação, 86 mm/10 golpes.
Figura 7. Curva carga x deslocamento da PCI.
Assim, é possível aferir que a ruptura nítida
do sistema solo-estaca foi observada entre os estágios de 1800 kN e de 2000 kN, sendo estabelecido como carga de ruptura o valor de 1850 kN.
Adotado o primeiro nível dos strain-gauges como seção de referência para a análise, foi possível determinar a transferência de carga ao longo da profundidade para cada um dos níveis indicados. Na tabela 1, são apresentados os valores de carga indicados pela instrumentação em cada nível instrumentado e as percentagens de carga de ponta obtidas na prova de carga.
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
De
slo
cam
en
to (
mm
)
Carga (KN)
Tabela 1. Carga nos níveis de instrumentação por estágio de carregamento.
Estágio
(kN)
Carga Níveis de Instrumentação (kN) Carga
Ponta
(%) SR N1 N2 N3 N4
330 330 206 14 14 0 0%
600 600 359 94 23 9 2%
800 800 695 336 65 51 6%
1000 1000 919 501 84 74 7%
1200 1200 990 554 92 74 6%
1400 1400 1055 660 98 75 5%
1600 1600 1125 837 124 107 7%
1800 1800 1237 996 173 153 9%
2000 2000 1644 1102 219 209 10%
2200 2200 1803 1267 321 297 14%
Na figura 8 é indicada a transferência de
carga da estaca ao longo de sua profundidade, para cada um dos estágios de carregamento da PCI.
Figura 8. Transferência de carga ao longo da profundidade da estaca.
Por interpolação, com base nesses dados, adotou-se um percentual de carga na ponta da estaca de 10%, estimando-se para a estaca ensaiada uma resistência lateral de cerca de 1665 kN e resistência de ponta de aproximadamente 185 kN, ou seja, um atrito lateral unitário de cerca de 65 kPa e uma resistência de ponta unitária de aproximadamente 1100 kPa. O deslocamento para mobilização do atrito lateral foi de 7,0 mm, o que corresponde a cerca de 1,5% do diâmetro da estaca.
No que tange a resistência de ponta a capacidade de carga ficou prejudicada tendo em vista a baixa resistência do terreno ao nível da base da estaca. É importante ressaltar que a programação da prova de carga foi realizada com base na sondagem inicial SP-01, descartada posteriormente, onde o solo na ponta era um silte arenoso com Nspt variando de 20 a 31. Com a nova investigação baseada na sondagem SP-02, observou-se um Nspt ao nível da ponta variando entre 10 e 16, o que se mostrou compatível com o diagrama de cravação da estaca e com a baixa resistência obtida por meio da instrumentação para a ponta da estaca.
Como a estaca havia sido projetada para um comprimento máximo de 18 m devido a limitações do equipamento utilizado, a cravação teve que ser paralisada mesmo com nega aberta. Assim a resistência de ponta foi baixa, aproximadamente 185 kN, representando por extrapolação 10% da capacidade de carga total da estaca.
No caso de um terreno competente ao nível da base, baseando-se nas características da estaca que é estruturalmente adequada para a obtenção de negas baixas, a expectativa dos autores seria uma resistência de ponta elevada, compatível com o usualmente esperado para estacas cravadas com nega fechada.
6 CONCLUSÕES
O processo executivo das estacas tipo Ecopile® se mostrou eficaz e indicativo da boa produtividade esperada para a estaca.
Pode-se afirmar que o grave problema de qualidade com a sondagem inicial levou a um
0
3
6
9
12
15
18
0 500 1000 1500 2000 2500
Pro
fun
did
ad
e (
m)
Carga (kN)
330 600 800
1000 1200 1400
1600 1800 2000
2200
equivoco na escolha do local para o teste, considerando a limitação prévia do comprimento da estaca. Esta situação se mostrou determinante para o resultado da PCI, já que impediu a paralisação da estaca em solo competente, com nega satisfatória para a obtenção de uma carga de ponta significativa. Devido a estas limitações a resistência de ponta na carga de ruptura correspondeu a apenas 10% da carga total, e neste caso específico, a transferência de carga da estaca ocorreu predominantemente por atrito lateral.
A expectativa dos autores, no caso de um terreno competente ao nível da base da estaca, é de que a ponta teria apresentado um percentual compatível com o usualmente esperado para estacas cravadas com nega fechada.
A técnica de instrumentação em profundidade com a instalação de barras instrumentadas com strain-gauges presas na armadura da estaca (ponte completa) apresentou um comportamento consistente e se mostrou eficaz para a estimativa das parcelas de resistências lateral e ponta.
Por fim, a pesquisa mostrou a importância da correta caracterização do perfil geotécnico do terreno, com sondagens com qualidade, para a avaliação das cargas de trabalho em um projeto de fundações em estacas. Demonstrou um fato extremamente preocupante para o atual momento da engenharia geotécnica brasileira, a baixa qualidade das sondagens tipo SPT, realizadas em larga escala, por várias empresas de sondagem em nosso país, em franca desobediência à ABNT NBR 6484/2001.
AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer a empresa Carvalho Hosken S/A na pessoa de seus engenheiros Rodrigo Reis, Luiz João e Bruno Sostag, pela cessão da área e apoio logístico ao Campo Experimental.
REFERÊNCIAS
ABNT – Norma Técnica NBR 12131: Prova de carga
Estática- Método de Ensaio. Rio de Janeiro, 2006. ABNT - Norma Técnica NBR 6484: Solo -Sondagens de
simples reconhecimentos com SPT - Método de
ensaio. Rio de Janeiro, 2001. ABNT- Norma Técnica NBR 6122: Projeto e execução
de fundações. Rio de Janeiro, 2010. Albuquerque, P. J. R. Estacas escavadas, hélice contínua
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