trabalho de fundações

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1 FUNDAÇÕES PROFUNDAS: Prova de carga dinâmica. 1 Bergson de Paula Santana da Silva 2 Cristiano Medeiros² Lorena dos Santos Prudêncio² Hurtz Mendes² Ingrid Magalhães Tavares da Silva 3 RESUMO A monitoração de estacas cravadas segundo Filho (2012) começou na década de 80. A prova de carga dinâmica ou carregamento dinâmico é um ensaio que tem a finalidade de determinar a capacidade de ruptura da interação estaca-solo para carregamentos estáticos iniciais. Esse processo visa acompanhar a propagação de ondas do martelo do bate-estacas e são obtidos através de transdutores e acelerômetros e esses dados são condicionados e processados em aparelhos chamados de Pile Driving Analyzer (PDA). É utilizado em estacas moldadas in loco, onde registram sinais de força e velocidade da tensão da onda gerada pelo martelo e têm como principal diferença para a prova de carregamento estático por causa do carregamento ser aplicado dinamicamente através do sistema de percussão apropriado. Palavras Chave: Estacas, Prova de carga, Ensaios. 1 Trabalho apresentado à disciplina de Fundações Estruturais, da Unidade de Ensino Superior Dom Bosco – UNDB. 2 Alunos do 10° período do Curso de Engenharia Civil da Unidade de Ensino Superior Dom Bosco – UNDB. 3 Professor, Orientador.

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Tipos de Ensaios dinâmicos.

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FUNDAES PROFUNDAS:

Prova de carga dinmica.[footnoteRef:1] [1: Trabalho apresentado disciplina de Fundaes Estruturais, da Unidade de Ensino Superior Dom Bosco UNDB.]

Bergson de Paula Santana da Silva[footnoteRef:2] [2: Alunos do 10 perodo do Curso de Engenharia Civil da Unidade de Ensino Superior Dom Bosco UNDB.]

Cristiano Medeiros

Lorena dos Santos Prudncio

Hurtz Mendes

Ingrid Magalhes Tavares da Silva[footnoteRef:3] [3: Professor, Orientador.]

resumo

A monitorao de estacas cravadas segundo Filho (2012) comeou na dcada de 80. A prova de carga dinmica ou carregamento dinmico um ensaio que tem a finalidade de determinar a capacidade de ruptura da interao estaca-solo para carregamentos estticos iniciais. Esse processo visa acompanhar a propagao de ondas do martelo do bate-estacas e so obtidos atravs de transdutores e acelermetros e esses dados so condicionados e processados em aparelhos chamados de Pile Driving Analyzer (PDA). utilizado em estacas moldadas in loco, onde registram sinais de fora e velocidade da tenso da onda gerada pelo martelo e tm como principal diferena para a prova de carregamento esttico por causa do carregamento ser aplicado dinamicamente atravs do sistema de percusso apropriado.

Palavras Chave: Estacas, Prova de carga, Ensaios.

1 INTRODUOO Ensaio de Carregamento Dinmico (ECD) segundo Andraos (2009) trata-se de uma ferramenta para o controle de qualidade de fundaes profundas. O ensaio, desenvolvido para o controle da cravao de estacas pr-moldadas, vem sendo 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. O analisador de cravao PDA 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. Figura 01 Exemplo de um PDA

Filho (2012).

No Brasil, sua metodologia normatizada pela NBR 13.208/2007 (Ensaio de Carregamento Dinmico). De acordo com os critrios da NBR-6122/96 (Projeto e Execuo de Fundaes), recomendvel que 5% de um estaqueamento seja submetido a esse tipo de ensaio.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 estabelece critrios que permitem otimizar os coeficientes de segurana.

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.

2 tipos de fundaes

2.1 Fundaes RasasDe acordo com a NBR 6122/2010, fundao superficial (rasa ou direta) considerada como elemento de fundao em que a carga transmitida ao terreno pelas tenses distribudas sob a base da fundao, e a profundidade de assentamento em relao ao terreno adjacente fundao inferior a duas vezes a menor dimenso da fundao. Basicamente, enquadram-se nesta classificao de fundao: as sapatas, blocos, grelha, vigas de fundao, sapata associada e radier, conforme Figura 2.

Figura 02- Tipos de Fundaes Superficiais.

Nuerberg (2014).2.2 Fundaes ProfundasSegundo a norma vigente NBR 6122/2012, fundao profunda definida como sendo, um elemento de fundao que transmite a carga ao terreno ou pela base (resistncia de ponta) ou por sua superfcie lateral (resistncia de fuste) ou por uma combinao das duas, devendo sua ponta ou base estar assente em profundidade superior ao dobro de sua menor dimenso em planta, e no mnimo 3,0 m. Neste tipo de fundao incluem-se as estacas e os tubules. As estacas usuais podem ser classificadas em duas categorias: estacas de deslocamento e escavadas (HACHICH et. al., 1998), enquanto os tubules, executados a cu aberto, ou sob ar comprimido (VELLOSO E LOPES, 2002). Figura 03 Exemplo de fundaes profundas.

Fonte: Nuerberg (2014).As cargas admissveis nos elementos de fundao so obtidas pela aplicao de fatores de segurana sobre os valores da capacidade de carga obtido por clculo ou experimentalmente (ABNT NBR 6122, 1996).

Segundo a ABNT NBR 6122:1996, o valor de clculo da resistncia de um elemento de fundao, ou seja, a sua capacidade de carga, pode ser determinado de trs maneiras: a partir de provas de carga, a partir de mtodo semiempricas ou emprico, ou, quando se empregam mtodos tericos.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. Reese et al. (2006) nos relata ainda que a capacidade de carga definida como a soma das cargas mximas que podem ser suportadas pelo atrito lateral e pela ponta.No Brasil, os dois mtodos mais utilizados para o dimensionamento de fundaes em estacas so os mtodos de Aoki e Velloso (1975) e Dcourt e Quaresma (1978).Dcourt e Quaresma (1978) apresentaram um processo de avaliao da capacidade de carga de estacas com base nos valores de resistncia penetrao do ensaio SPT. O mtodo, desenvolvido para estacas de deslocamento, foi objeto de algumas extenses, objetivando a adequao a outros tipos de estacas.A capacidade de carga contra a ruptura de uma fundao, segundo Alonso (1991), corresponde ao menor dos dois valores: Resistncia do elemento estrutural da pea que compe a fundao; Resistncia do solo adjacente ao elemento estrutural e que lhe d suporte.A avaliao da capacidade de carga pode ser realizada durante a execuo, segundo a ABNT NBR 6122 (1996, item 7.2), entende-se por verificao da capacidade de carga a realizao de provas de carga estticas, de acordo com a ABNT NBR 12131:2006, ou a realizao de ensaios de carregamento dinmico, em conformidade com a norma ABNT NBR 13208:2007.3 Ensaio de prova de carga dinmicaO Ensaio de Carregamento Dinmico (ECD), tem como objetivo avaliar as cargas mobilizadas na interface solo-estaca, a eficincia do sistema de impacto, as tenses de compresso e de trao ao longo da estaca, a integridade estrutural e as caractersticas dinmicas do sistema solo-estaca (Andraos,2009).

O ensaio de carregamento dinmico foi desenvolvido para estacas pr-moldadas inseridas no terreno atravs de um sistema de cravao a diesel ou a ar comprimido. No entanto, segundo Likins e Hussein (1995), comum a sua utilizao em estacas moldadas in loco no mundo todo (ANDRAOS,2009,p.15).Em estacas cravadas, pode-se realizar o ensaio durante a cravao da mesma e/ou em uma recravao, aps um perodo de repouso. Nesse caso, um sistema de cravao definido em projeto encontra-se disponvel e pode ser utilizado na realizao dos ensaios (Andraos, 2009).J para estacas moldadas in loco, nas quais o ensaio deve ser realizado a partir de sete dias aps a concretagem (ABNT NBR 13208, 2007), h a necessidade da seleo de um sistema de cravao.

Alm disso, segundo Seitz (1984), devido economia do ensaio, pode ser utilizado em maior nmero e freqncia, o que possibilita a obteno de um maior universo amostral. Por sua vez, a maior quantidade de amostras prover o desenvolvimento de tcnicas e utilizao do ensaio, bem como, avanos no entendimento do comportamento dinmico de fundaes (ANDRAOS,2009,p,19).O ensaio consiste na aplicao de um carregamento dinmico axial estaca para a estimativa da capacidade de carga, alm de outras informaes, atravs da Teoria da Equao de Onda aplicada estaca, com base no modelo idealizado por Smith (1960). Em uma viso holstica ( que busca um entendimento integral dos fenmenos) do ensaio diversos mtodos de clculo e procedimentos computacionais esto envolvidos. O ensaio baseado na aquisio de dados de fora e velocidade da onda de tenso provocada por um golpe. (Andraos,2009).Os sinais, advindos de instrumentao, so captados e armazenados atravs de um analisador de cravao, como o equipamento PDA - Pile Driving Analyzer, da PDI (Pile Dynamics, Inc.) e o FPDS Foundation Pile Diagnostic Systems, da TNO Building and Construction Research Organization. O equipamento PDA, utilizado na obteno dos sinais de campo utilizados nesta pesquisa, realiza um clculo da capacidade de carga atravs do Mtodo CASE. Este mtodo consiste em uma soluo matemtica fechada, baseada em hipteses simplificadoras, tais como a homogeneidade e uniformidade da estaca e deve ser confirmado por uma anlise numrica. A anlise numrica executada atravs do programa CAPWAP, por exemplo, realiza um processo iterativo baseado na teoria da equao da onda. Neste mtodo, uma curva dependente de parmetros adotados ajustada curva de fora medida, permitindo o refino dos mesmos (Andraos,2009,p,45).

A monitorao dinmica de estacas efetuada utilizando-se um conjunto bsico de instrumentos e equipamentos para a aquisio e tratamento dos dados, constitudo pelo sistema de impacto, instrumentao e equipamento para aquisio dos dados (Gonalves et al., 2000).A tcnica de monitorao consiste no registro dos sinais de fora e acelerao no topo da estaca, que so gravados em arquivos eletrnicos, podendo ser processados on line no momento da cravao, atravs de um analisador de cravao (Niyama et al., 1982b).Usualmente, os instrumentos utilizados so transdutores de deformao e acelermetros. As medidas de deformao podem ser convertidas em fora, atravs da Lei de Hooke, considerando-se a rea da seo transversal e o mdulo de elasticidade dinmico do material da estaca, na posio da instrumentao (Andraos, 2009).No mnimo quatro transdutores devem ser instalados, na mesma seo transversal, aos pares, em posies diametralmente opostas em relao ao eixo, de forma a detectar e compensar os efeitos originados da excentricidade do impacto, e a uma distncia mnima de um dimetro e meio do topo da estaca. Figura 04 Detalha da instalao dos instrumentos.

Fonte: Andraos (2009).A fixao dos transdutores deve ser efetuada de modo a impedir o deslocamento destes em relao estaca durante o golpe, sem afetar suas caractersticas de funcionamento (ABNT NBR 13208, 2007). Para fixao dos parafusos nas estacas de concreto so instalados chumbadores de expanso. Em estacas tubulares metlicas so feitos furos com rosca. No caso de perfis metlicos, so realizados furos passantes e os parafusos so apertados atravs de porcas (PDI, 2008).Os sinais brutos obtidos pela instrumentao so transferidos atravs de um sistema de cabos de conexo a um equipamento eletrnico que realiza uma srie de clculos em tempo real, para cada golpe do martelo.Os primeiros equipamentos do tipo PDA possuam um osciloscpio acoplado, utilizado para a visualizao dos sinais de fora e velocidade, um gravador de fita magntica, para o armazenamento e posterior anlise dos sinais, e uma mini impressora. As novas verses do equipamento dispensam a utilizao destes perifricos, pois apresentam um microcomputador acoplado que permite a visualizao dos sinais atravs de uma tela de cristal lquido e o imediato armazenamento e processamento dos dados.Dois modelos deste equipamento so disponibilizados pela Pile Dynamics, Inc. (PDI, 2008). So eles: o modelo PAK, desenvolvido para enfrentar condies rigorosas de campo, e o PAX, que permite a transmisso remota de dados via internet conforme figura abaixo Figura 05 Modelos de PAK e PAX.

Fonte: Andraos (2009).Os sinais obtidos pela instrumentao, no momento do ensaio so processados por meio do mtodo simplificado do tipo CASE - Case Western Reserve Institute ( Goble et al. 1980). Que fornece para cada golpe transmitida estaca as seguintes informaes principais: Carga mobilizada na interface solo-estaca, integridade estrutural, tenses dinmicas mximas compressivas e de trao, deslocamento mximo e mxima energia transferida.Por estas razes, os dados obtidos e processados pelo mtodo simplificado do tipo CASE devem ser confirmados e calibrados por meio de anlise numrica do tipo CAPWAP.A anlise numrica atravs do mtodo CAPWAP (Case Pile Wave Analysis Program) consiste em um mtodo matemtico que tem como objetivo o processamento dos registros de fora e velocidade multiplicada pela impedncia, previamente gravados no campo (ABNT NBR 13208, 2007).No modelo usado pelo CAPWAP, considera-se o efeito da massa de solo que se desloca junto com a estaca. O amortecedor considera a resistncia dinmica, proporcional velocidade, desse macio de solo. Um valor zero significa amortecimento infinito, ou seja, solo indeslocvel em relao estaca, abordagem do modelo de Smith tradicional (PDI, 2008).

3.1 Teoria da Equao da onda aplicadaQuando uma estaca solicitada pelo impacto de um martelo uma zona do material comprimida. Essa compresso causa uma tenso que ser transmitida para camadas subsequentes. O processo contnuo de compresso desenvolve uma onda de tenso que se propaga ao longo da estaca (Bernardes, 1989).Durante a cravao da estaca carregada axialmente por uma fora F, causada pelo impacto do martelo. Em um primeiro instante, t, todas as partculas da estaca ainda esto no repouso, como esquematizado na Figura abaixo.

Figura 06 Partculas em repouso e aceleradas.

Fonte: Andraos (2009).

Em um intervalo de tempo dt aps o impacto, um primeiro elemento, dl, comprimido e sofre uma deformao dd (Figura 10b). Ento, as partculas do material, representadas pelo ponto A, que inicialmente estavam no repouso, so aceleradas.A deformao dd pode ser calculada atravs da Lei de Hooke:

Sendo c a velocidade de onda, a partcula A que foi acelerada para a posio representada por A apresenta a velocidade dv:

Sendo as definies de tenso, relao entre a fora e a rea, e deformao, relao entre a tenso e o mdulo de elasticidade, temos:

A acelerao da partcula pode ser dada por:

De onde temos:

E ento:

Ou seja, 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.J a velocidade das partculas, V, a velocidade com a qual as mesmas se movimentam quando a onda se propaga.A estaca impe uma resistncia, conhecida como impedncia (Z), mudana de velocidade das partculas. A impedncia pode ser representada das seguintes maneiras:

Das equaes temos que:

Ento:

Considerando o equilbrio dinmico de um segmento da estaca em qualquer instante, sabendo-se que a acelerao pode ser dada pela segunda derivada do deslocamento em relao ao tempo e igualando-se a fora dada pela segunda lei de Newton fora dada pela lei de Hooke, obtm-se uma soluo geral da equao unidimensional da onda, conhecida como:

Essa equao, conhecida como a Equao de DAlembert (Dyminski, 2000), descreve o deslocamento (u) de uma partcula no espao, a uma distncia x do topo da estaca, e no tempo (t), provocado pela propagao de uma onda de velocidade c.3.2 Propagao de ondasA 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).Se a ponta da estaca encontra-se livre, a onda refletida como fora de trao. Na Figura 07, podemos ver a representao das ondas de compresso e trao que se propagam em uma estaca ntegra, idealizada, e de ponta livre.Percebe-se que com o aumento da influncia do atrito lateral o efeito das ondas de compresso e trao absorvido ao longo do fuste.Com relao velocidade, ao receberem uma onda de compresso devido ao impacto, as partculas se movimentam no sentido da fora (tenso de compresso, deslocamento da partcula para baixo), com uma velocidade considerada positiva. Figura 07 Fora e velocidade em estaca ntegra de ponta livre.

Fonte: Andraos (2009).Quando ocorre a reflexo da onda na forma de trao, as partculas passam a ser aceleradas no sentido inverso da propagao, ou seja, uma onda de trao causa movimentao de partculas no sentido contrrio de propagao. Desta maneira, as partculas continuam se movimentando com uma velocidade positiva. o que pode ser observado na representao grfica da velocidade da partcula, na Figura acima.Caso a ponta de uma estaca ntegra, idealizada, esteja fixa, ou seja, engastada, a onda refletida na ponta de compresso. O atrito lateral tende a absorver a energia e, consequentemente, as foras provocadas pelo impacto, o que pode ser visualizado na Figura abaixo. Figura 08 Fora e velocidade em estaca ntegra de ponta engastada.

Fonte: Andraos (2009).

Com relao velocidade, ao receberem uma onda de compresso devido ao golpe do pilo, as partculas se movimentam no sentido da fora e a uma velocidade positiva, com deslocamento descendente. Quando ocorre a reflexo da onda na forma de compresso, as partculas passam a ser aceleradas no mesmo sentido da propagao. Desta maneira, as partculas passam a se movimentar no sentido contrrio, com uma velocidade negativa e deslocamento ascendente. o que pode ser observado na representao grfica da velocidade da partcula na Figura acima.Quando a estaca no se encontra ntegra, ocorrem reflexes antes do tempo esperado. As Figuras 15 e 16 representam a propagao de ondas e velocidades em uma estaca no ntegra, analogamente ao que j foi abordado. Figura 09 Fora e velocidade em estaca no ntegra de ponta livre.

Fonte: Andraos (2009).

Quando consideramos variaes de impedncia, temos comportamentos semelhantes. Reflexes ocorrero antes do tempo previsto.Caso esta estaca apresente reduo de impedncia, a onda refletida na interface Z1-Z2 (Z1>Z2) de trao. Caso a estaca apresente aumento de impedncia, a onda refletida na interface Z1-Z2 (Z1