Prova de Carga à Compressão Instrumentada em Estaca Cravada Moldada in loco do tipo Ecopile

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1 Prova de Carga à Compressão Instrumentada em Estaca Cravada Moldada in loco do tipo Ecopile Uberescilas Fernandes Polido GEOCONSULT/ CT-UFES, Vitória/ES, Hugo Ferreira França COPPE-UFRJ/ GEOCONSULT, Vitória/ES, Paulo José Rocha de Albuquerque UNICAMP, Campinas/SP, Marcelo Felix KELLER Engenharia Geotécnica, Rio de Janeiro/RJ, Tammo Koehler KELLER Engenharia Geotécnica, Rio de Janeiro/RJ, 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 siltoarenosos medianamente compactos, com N spt variando de 5 a 25. Um ensaio in situ com cone elétrico (CPT) mostrou q c 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 (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,

2 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. tendência clara de aumento de resistência com a profundidade. No limite atingido pela estaca o solo apresenta N spt da ordem de 13 e um q c da ordem de 4,0 MPa, dados estes também compatíveis. Na figura 2 é apresentado um gráfico a título comparativo das investigações realizadas. 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 siltoarenosos medianamente compactos, sem Figura 1. Perfil Geotécnico e níveis da instrumentação da PCI.

3 qc (kpa), fs (kpa) tremonha, de forma a evitar eventuais danos à instrumentação. 0,00 2,00 4,00 6,00 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, NSPT qc (kpa) fs (kpa) SP-01 (Descartada) Figura 2. Resultado das investigações execução da PCI. SP-02 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00 22,00 24,00 realizadas para a Figura 3. Procedimento executivo das estacas tipo Ecopile (adaptado DIN EN 12699:2000). A chapa metálica utilizada na cravação não é retirada, e deste modo não se obtêm o alargamento da base como é observado em estacas do tipo Franki, ou seja, no que tange a resistência de ponta, a estaca tipo Ecopile tem um comportamento similar ao esperado para uma estaca pré-moldada de diâmetro equivalente. Na figura 4 é apresentado o equipamento posicionado para a cravação da estaca piloto, o funil utilizado para preenchimento do furo e a chapa metálica ou ponteira para a cravação da estaca. 3 PROCEDIMENTO EXECUTIVO O processo executivo da estaca tipo Ecopile consiste na cravação de um tubo metálico de parede espessa com ponta fechada, com a utilização 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). Terminada a cravação é procedida a introdução da armadura no interior do tubo (figura 3.b) e seu preenchimento com concreto (figura 3.c). A extração 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 procedida a concretagem com o auxílio de um tubo Figura 4. Equipamento posicionado para a cravação.

4 Devido ao processo executivo com tubo tremonha, o concreto utilizado foi de elevada fluidez, com Slump da ordem de 22±3 cm. Para a execução daa prova de carga, carga foi utilizado um fck de 45 MPa,, de forma a se obter elevada resistência inicial. O equipamento utilizado para a cravação da estaca foi um martelo hidráulico do modelo JUNTTAN SHK 110-5, indicado na figura 5, 5 de peso 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 doo teste foi adotada uma altura de queda máxima de 0,60 m. Figura 5. Equipamentos de Cravação. A estaca piloto EP01 possuía diâmetro nominal de 0,46 m e foi executada até a profundidade limite mite do equipamento, equipamento 17,75 m, num estrato pouco resistente, onde foi obtida uma nega aberta de 86 mm/10 golpes do pilão, com altura de queda de 0,60 m. Foram também executadas quatro estacas de reação para a prova de carga, todas elas com características similares às da estaca piloto. Conforme já citado anteriormente, os diagramas de cravação indicaram aram diferenças significativas com a expectativa inicial, com base exclusivamente na sondagem SP-01, em especial no referente à nega de cravação obtida, obtida 86 mm/10 golpes em um material inicialmente indicado com Nspt de 31. A nega obtida é condizente com a segunda sondagem executada, com Nspt de 13 ao nível da ponta da estaca, confirmado pelo resultado do CPT, que atingiu um qc da ordem de 4,0 MPa ao mesmo nível, motivo pelo qual,, para as análises realizadas, realizadas a sondagem inicial (SP-01) foi descartada. descartada 4 PROVA INSTRUMENTADA DE CARGA A PCI foi realizada 19 dias após a execução da estaca e seguiu as recomendações da norma brasileira ABNT NBR / O carregamento à compressão foi fo aplicado em estágios sucessivos, de forma lenta, ou seja, foi aguardada a estabilização da d carga em cada um destes estágios, e a carga foi levada até a ruptura do sistema solo solo-estaca. Os deslocamentos verticais a que foi submetida a estaca piloto foram medidos por um conjunto de quatro extensômetros tensômetros mecânicos, mecânicos instalados no topo do bloco de coroamento e dispostos em eixos ortogonais.. Para a execução da PCI PC foi utilizado macaco com capacidade máxima de kn (400 tf). Como reação para o carregamento ca aplicado na prova de carga, foram utilizadas quatro estacas do mesmo tipo da estaca piloto, piloto também com comprimento de 17,75 m, m nas quais foram instalados tirantes com capacidade de carga à tração de 1000 kn cada, ao longo de toda a profundidade das estacas. A instrumentação da estaca piloto foi realizada por meio de extensômetros elétricos (strain-gauges), instalados em pares de barras de aço instrumentadas (ponte ponte completa) fixadas ao estribo da armadura da estaca piloto em cinco diferentes níveis. s. Na figura 1 podem ser observadas as profundidades de instalação de cada um dos níveis. A figura 6 mostra as barras instrumentadas instaladas na armadura da estaca piloto. Figura 6. Barras instrumentadass na armadura da estaca.

5 Os extensômetros elétricos e terminais utilizados foram da marca Kyowa Eletronics Instruments: os strain-gauges, tipo biaxial (KFG 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. Deslocamento (mm) 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 Carga (KN) 5 RESULTADOS 50,0 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. 60,0 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.

6 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 (%) % % % % % % % % % % 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. Profundidade (m) Carga (kn) 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 N spt variando de 20 a 31. Com a nova investigação baseada na sondagem SP-02, observou-se um N spt 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

7 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, ABNT - Norma Técnica NBR 6484: Solo -Sondagens de simples reconhecimentos com SPT - Método de ensaio. Rio de Janeiro, ABNT- Norma Técnica NBR 6122: Projeto e execução de fundações. Rio de Janeiro, Albuquerque, P. J. R. Estacas escavadas, hélice contínua e ômega: estudo do comportamento à compressão em solo residual de diabásio, através de provas de carga instrumentadas em profundidade. 2001, 263 f. Tese (Doutorado em Engenharia) Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, Albuquerque, P.J.R.; Alledi, C.T.D.B.; Polido, U. Behavior of Instrumented Continuous Flight Auger Piles in Sedimentary and Residual Soils. In: Panamerican Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering,13., 2007, Isla Margarita. Anais Caracas: Venezuelan Geotechnical Society, v.1. Alledi, C.T.D.B. Comportamento a compressão de estacas hélice contínua instrumentadas, em solos sedimentares f. Dissertação de Mestrado em Engenharia Centro Tecnológico, Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, Alledi, C.T.D.B.; Polido, U. F.; Albuquerque, P. J. R. Provas de carga em estacas hélice contínua monitoradas em solos sedimentares. In: Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica, 13., 2006, Curitiba. Anais... Curitiba: ABMS, v. 2, p Alledi, C.T.D.B.; Polido, U. F.; Capacidade de Carga de Estacas Hélice Contínua Previsão por Métodos Semiempíricos Versus Provas de Carga. In: Seminário de Engenharia de Fundações Especiais e Geotecnia, SEFE VII., 2012, São Paulo. Anais... São Paulo: ABEF, 2012, v. 1, P Editora Rudder, Revista Fundações e Obras Geotécnicas,. Sistema Ecopile, Alternativa para Solos e Demandas de Projeto, setembro de 2013, p European Standart EN 12699:2000 Execution of special geotechnical work - Displacement piles. KELLER Brasil, EcoPile - Estaca de Concreto Moldada In Loco, Disponível em: Acesso em 8 de abril de Polido, U. F.; Alledi, C. T. D. B.; Albuquerque, P. J. R. de. Capacidade de carga de estaca metálica com base em provas de carga à compressão e à tração. In: Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica, 2010, Gramado. Anais... Gramado: Associação Brasileira de Mecânica dos Solos, 2010.