Palavras-chave: analisador de SPT, sondagem SPT, N(SPT), energia. Key words: SPT Analyzer, SPT boring, N value, energy.

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1 MEDIDAS DE ENERGIA NO ENSAIO DE SPT Engº Sergio Valverde PDI Engenharia Engº Paulo Roberto Ferraz Junior PDI Engenharia RESUMO. Neste trabalho são apresentados aspectos a respeito do Método padrão para avaliação da energia nos ensaios SPT que é apresentado no Anexo B da revisão da Norma 6486 onde os dados obtidos com o Analisador de SPT durante a execução da sondagem, são reprocessados e as grandezas apresentadas em forma tabular e gráfica por programa especifico. Palavras-chave: analisador de SPT, sondagem SPT, N(SPT), energia. ABSTRACT. In this paper are presented aspects of the "Standard method for evaluation of energy in SPT tests" which is presented in Annex B from the revision of ABNT 6486 Standard, where the data obtained with the SPT Analyzer during the execution of the survey are reprocessed, and the quantities are delivered in tabular and graphical form by a specific program. Key words: SPT Analyzer, SPT boring, N value, energy. O objetivo principal da Medida de Energia no ensaio de SPT é avaliar a quantidade de energia envolvida e determinar a eficiência do equipamento utilizado. Conhecendo-se a eficiência é possível então comparar valores de N obtidos com diferentes equipamentos. O valor obtido para o SPT não depende apenas das propriedades do solo, mas também da eficiência do equipamento utilizado no ensaio de SPT. Portanto, a medição da energia efetivamente transferida permite avaliar variações do valor de N resultante de diferenças nos equipamentos utilizados e nos modos de operação desses equipamentos. Há uma relação linear aproximada entre o incremento da penetração de um amostrador no solo e a quantidade de energia do martelo que é efetivamente transferida para a composição das hastes de perfuração e, portanto, uma relação inversa aproximada entre o valor de N e a quantidade essa energia transferida. Portanto, a perfuração e cravação dinâmica de amostrador-padrão, a cada metro, resulta na determinação do tipo de solo e de um índice de resistência N, bem como da observação do nível da água dentro do furo de sondagem. Para a definição desses resultados existem dois procedimentos de ensaio: o Sistema Manual e o Sistema Mecanizado. a) Sistema de Sondagem Manual: Procedimento de execução do ensaio em que o amostrador é cravado no solo com o uso do martelo elevado manualmente através de um corda que passa por roldana localizada na parte superior de um tripé ou torre de sondagem até a altura de 75cm, a partir da qual é deixado cair livremente, ou b) Sistema de Sondagem Mecanizado: procedimento de execução do ensaio onde o amostrador é cravado no solo com o uso de martelo acionado mecanicamente. Para a aplicação do Método padrão para avaliação da energia nos ensaios SPT é necessário introduzir conceitos e definições que já são muito bem conhecidas por aqueles que estão familiarizados com a metodologia de ensaios de carregamento dinâmico em estacas de fundação.

2 DEFINIÇÕES Golpe do martelo: ação da queda do martelo de uma altura padrão de 75 cm e impactando na cabeça de bater. Impacto: contato instantâneo entre o martelo e a cabeça de bater; a cada golpe do martelo corresponde uma sucessão de impactos. Impedância das hastes: propriedade da haste de perfuração igual ao seu módulo de elasticidade multiplicado pela área da seção transversal e dividido pela velocidade de propagação das ondas de tensão causadas pelo impacto do martelo. Acelerômetro: sensor que mede os valores de aceleração das partículas de uma seção de haste devido à propagação de uma onda de tensão causada pelo golpe do martelo. Transdutor de força: é um dispositivo elétrico destinado a medir forças normais na haste, devido à propagação de uma onda de tensão causada pelo golpe do martelo. Haste instrumentada: uma haste curta (cerca de 600 mm de comprimento) na qual são instalados um par de acelerômetros piezo-resistivos e dois transdutores de força. Conjunto de medições: conjunto de dados de medições de energia para todos os golpes correspondentes a uma determinada profundidade. SÍMBOLOS EFV (ou EMX) é a quantidade de energia transmitida à composição de hastes de perfuração devido a um golpe do martelo, durante todo o evento desse golpe. Portanto, é o valor da energia transferida para a haste, calculada como o valor máximo da integral da força vezes a velocidade, considerando-se todo o registro e este é o valor usado no cálculo da eficiência (ETR), EP é a energia potencial teórica do martelo posicionado em uma altura especifica acima da superfície de impacto, ou seja o produto de 65 kg vezes 0,75 m = 0,04875 tf.m, = ETR = (EFV / EP) é a razão entre a quantidade de energia transmitida ao topo da composição de hastes de perfuração e a quantidade de energia potencial teórica. A média destes valores ao longo dos incrementos de profundidade medidos é o coeficiente de calibração do sistema SPT em questão, E2E é a energia transferida para a haste, calculada como o valor máximo da integral da força vezes a velocidade, considerando-se apenas o tempo 2L/c inicial. Este valor deve ser semelhante (mas não é necessariamente idêntico) a EFV, L é a distância entre o local de instalação dos transdutores no subconjunto instrumentado e a extremidade inferior do Penetrômetro, c é a velocidade teórica da onda de tensão no aço ( 5123 m/s). A é a área da seção transversal da haste. E é o módulo de elasticidade do aço da haste. 2L/c é o intervalo de tempo necessário para a onda de tensão, que se desloca desde a seção instrumentada com uma velocidade c, atingir a extremidade inferior do amostrador e retorne para a seção de medições. v(t) é a velocidade das partículas na seção instrumentada da haste, determinada pela integração da aceleração em função do tempo. F(t) é a força normal na seção instrumentada.

3 Z é a impedância das hastes. CSX é a máxima tensão de compressão na região dos sensores eletrônicos, considerando-se a média dos dois transdutores de força, CSI é a máxima tensão de compressão na região dos transdutores de força, considerando-se o maior dos dois sinais de força. Quanto mais próximo CSI de CSX, menor o nível de flexão durante o golpe, o que indica um melhor o alinhamento de todo o sistema, EQUIPAMENTOS Para efetuar as medições de energia é utilizada uma haste instrumentada (fig. 01), que permite medir acelerações e forças normais, causadas pela propagação de uma onda de tensão advinda do golpe do martelo. Figura 01 Haste Instrumentada A haste instrumentada deve ter uma impedância igual a das hastes de perfuração e a sua resistência deve ser tal que os golpes de martelo não causem deformações permanentes. A seção de instalação dos instrumentos de medição deve estar localizada a uma distância igual ou superior a três diâmetros das extremidades. Os dispositivos de medição devem estar devidamente protegidos. A haste instrumentada deve ser instalada no topo da composição de hastes de perfuração, logo abaixo da cabeça de bater (fig 02). Figura 02 Equipamento com a haste acoplada Assim, a energia devido ao impacto do martelo é transmitida através da cabeça de bater e da haste instrumentada à composição de hastes de perfuração.

4 Transdutor de força: As forças normais atuantes nas hastes de perfuração devem ser medidas por um par de transdutores de força montados na haste instrumentada. Cada transdutor de força é constituído por um conjunto de extensômetros elétricos colados à haste, formando um circuito do tipo ponte completa. A deformação medida pelos extensômetros é multiplicada pelo módulo de elasticidade do aço ( Mpa), e pela área de seção da haste instrumentada, para obtenção do sinal de força. Os dois transdutores de força são dispostos diametralmente opostos e trabalha-se com a média dos dois sinais de força, de modo a minimizar os efeitos de flexão da haste. Acelerômetros: Acelerações devem ser medidas com um conjunto de dois acelerômetros, fixados diametralmente opostos na haste instrumentada a uma distância máxima de 100 mm da seção onde são medidas as forças. As direções dos eixos dos acelerômetros devem coincidir com o eixo da haste instrumentada. Os acelerômetros são fixados com o auxílio de pequenos suportes metálicos rígidos, com formato aproximadamente cúbico, que podem ser colados, parafusados ou soldados à haste instrumentada. Os acelerômetros devem apresentar resposta linear de pelo menos g e resposta de frequência utilizável de pelo menos 4.5 khz. Os sinais de aceleração devem ser integrados em relação ao tempo para se obter sinais de velocidade em função do tempo. A integração deverá ser feita de forma digital. Sistema de aquisição e digitalização de sinais: Os sinais de força e aceleração gerados pelo impacto do martelo devem ser transmitidos a um sistema de aquisição de sinais (fig.03), que funcionando acoplado a um computador, permita a gravação, processamento e exibição desses sinais. O dispositivo deve ser capaz de proporcionar condicionamento de sinal e fornecer energia de excitação para todos os transdutores instalados na haste instrumentada. Figura 03 Equipamento de aquisição de sinais O sistema de aquisição de sinais deve aplicar um filtro passa-baixa, tanto para os sinais de força como de aceleração, com uma frequência de corte de 5 khz ou superior (de preferência de 25 khz). Os sinais devem ser digitalizados com uma resolução mínima de 12 bits. Os sinais dos transdutores individuais para cada golpe devem ser permanentemente armazenados no formato digital, devendo cada sinal registrado corresponder a um tempo total após o impacto suficiente para assegurar que todo o movimento da haste tenha cessado no final do registro. O computador deve ter memória suficiente para analisar simultaneamente todos os dados correspondentes a um golpe de martelo. Programas específicos devem permitir a geração de gráficos dos sinais de força, velocidade e energia em função do tempo. O aparelho deve ser capaz de analisar cada sinal medido individualmente para confirmar a qualidade dos dados durante a aquisição. Evidentemente os instrumentos e equipamentos utilizados para a medição da energia do SPT devem ser calibrados conforme previsto no Anexo B da Norma 6486.

5 PROCEDIMENTOS PARA MEDIDAS DE ENERGIA NO ENSAIO SPT Antes de iniciar as medições de energia deve-se registrar informações, incluindo o tipo de equipamento usado para perfuração, tipo de martelo, condição da corda e disposição da roldana do topo do tripé. Para martelos de segurança, registrar o comprimento da haste-guia, indicando se a mesma é sólida ou oca. Para martelos automáticos, anotar o sistema de levantamento, altura de queda e a frequência de golpes (cadência). Observar as condições de funcionamento do martelo, tais como oxidação, verticalidade, ou deficiência na lubrificação. Informações como as dimensões da composição de hastes de perfuração, incluindo diâmetros internos e externos, comprimentos de cada haste individual e o tipo de luva utilizado são indispensáveis. Não é permitida a combinação de hastes com seções transversais variadas (por exemplo, AW com NW). Como parte da energia é consumida pela rotação e o atrito das roldanas, é importante observar as suas condições de funcionamento. Como a falta de verticalidade pode afetar o sistema de queda do martelo, a composição de hastes deve ser alinhada o mais verticalmente possível. As informações do ensaio devem incluir o nome do projeto, o nome e a localização da sondagem, os nomes dos operadores, as elevações de referência, a profundidade do amostrador, e qualquer outra informação descritiva considerada útil. Registrar quaisquer condições ou requisitos incomuns que possam afetar os resultados do ensaio. Deve-se registrar também as especificações da haste instrumentada e das hastes, incluindo o seu tipo (por exemplo, AW, NW, etc.), áreas das seções transversais e a distância entre os transdutores e a extremidade inferior do amostrador. Para a realização das medidas de energia no SPT deve-se Instalar a haste instrumentada no topo da composição de hastes de perfuração. Todas as hastes da composição, incluindo a haste instrumentada, devem ser de aço, possuir o mesmo diâmetro e mesma área nominal. As luvas devem estar devidamente apertadas. Em seguida são instalados os acelerômetros piezo-resistivos e conectados cada um dos sensores ao cabo principal e este acoplado ao equipamento de aquisição de sinais. O programa utilizado para a aquisição dos dados deve permitir introduzir todos os parâmetros relativos à sondagem e também permitir verificar se todos os sensores estão respondendo e funcionando corretamente. Em seguida aplicam-se os golpes do martelo necessários para fazer penetrar os 3 últimos trechos de 15 cm do metro considerado. Os sinais advindos dos sensores devem ser gravados pelo equipamento de aquisição de sinais. O programa para a aquisição de dados deve permitir verificar a qualidade das medições através do exame dos gráficos dos sinais de força e velocidade, os quais para sucessivos golpes devem ser similares. Ao final do evento do golpe, os sinais de velocidade e de forças devem ser aproximadamente nulos (fig.04). Figura 04 Sinal coletado As medições de energia, com dados de boa qualidade, devem ser feitas em pelo menos três profundidades do terreno, utilizando o equipamento SPT da forma a mais rotineira possível. É recomendável realizar medições para todos os golpes do martelo e considerar a média das quantidades de energia medidas, desconsiderando-se os golpes aplicados no primeiro trecho de 15 cm. Registrar o número de golpes (N) e profundidade de penetração do amostrador para cada profundidade do furo de sondagem.

6 CASOS DE OBRAS O programa de instrumentação dinâmica teve por objetivo a medição de energia em ensaios SPT realizados com equipamento mecanizado e manual (fig.05), realizado nos meses de julho e novembro de Figura 05 equipamentos manual e mecanizado Para a medição da energia foi utilizado um equipamento denominado Analisador de SPT. O Analisador de SPT empregado conta com conversor analógico-digital de 24 bits, com frequência de amostragem de 5,12 MHz (fig.06). O equipamento possui dois canais de aquisição de dados para aceleração e dois canais de aquisição de dados para força, com frequência efetiva de amostragem de 100 KHz e tamanho de amostras de 15K, o que atende tanto às especificações da ASTM quanto às do Eurocode Figura 06 Equipamento de aquisição de sinais No topo da haste metálica foi acoplada um segmento de 70 cm de haste instrumentada, padrão AW com área de aço calculada em 7,9 cm². Esta haste instrumentada possui 2 transdutores de força incorporados diametralmente opostos, de modo a compensar os efeitos de flexão da haste quando da aplicação dos golpes do martelo. As medidas de aceleração de partícula foram feitas através de 2 acelerômetros piezo-resistivos instalados diametralmente opostos por meio de parafusos na haste instrumentada.

7 Os ensaios de medidas de energia foram efetuados com a utilização de 3 equipamentos, conforme especificado na tabela abaixo (O total de golpes são os efetivos para a penetração dos dois últimos trechos de 15 cm em cada uma das profundidades consideradas): Equipamento Sondagem Golpes Prof. (m) ETR (%) Mecanizado 01 SPT ,15 a 13,45 87,3 Mecanizado 02 SPT ,15 a 13,45 85,7 Tripé Manual SM ,15 a 39,45 87,5 Tabela 1- Média dos valores de = ETR = (EFV / EP) que são os coeficientes de calibração de cada um dos sistemas considerados. A quantidade de energia (EFV) transferida à composição de hastes é calculada através da seguinte expressão: t EFV 2 F() t v() t dt t1 onde t 1 é o instante quando se inicia o evento do golpe e t 2 o primeiro instante quando as velocidades se tornam aproximadamente nulas, ou seja, o instante de máxima transmissão de energia para a haste. A integração deverá ser feita até o final do registro, e o valor máximo da energia transferida deverá ser tomado como EFV. Com a energia calculada, determina-se a eficiência ( ) ou Razão de Transferência de Energia (RTE) do equipamento, através da expressão: = ETR = (EFV / EP) PLOTAGEM DOS RESULTADOS OBTIDOS A seguir são apresentadas as representações gráficas dos sinais de força e velocidade de um golpe aplicado cujo valor de ETR se aproxima do valor médio ou seja da constante de calibração apresentado na Tabela 1, para cada um dos trechos de 15 cm considerados na obtenção dos valores de SPT.

8 A seguir são plotados os resultados das grandezas mais relevantes, obtidos com o Analisador de SPT, após o reprocessamento dos sinais dos golpes aplicados. As grandezas são apresentadas em forma gráfica pelo programa PDIPLOT. Os valores apresentados são os dos golpes aplicados para a penetração dos últimos 2 trechos de 15 cm para cada uma das medidas de SPT.

9 INTERVALO DE CALIBRAÇÃO DOS SISTEMAS DE AQUISIÇÃO DO SPT A recomendação é a de calibrar cada sistema uma vez por ano, ou em intervalos menores conforme especificado pelo programa de controle de qualidade do proprietário e/ou do cliente final.

10 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS American Society for Testing and Materials - ASTM. Penetration test and split barrel sampling of soils. Philadelphia, D1586. Associação Brasileira de Normas Tecnicas - ABNT. Execução de Sondagens de Simples Reconhecimento dos Solos. NBR6484. Rio de Janeiro: ABNT, Belincanta, A. Avaliação de fatores intervenientes no índice de resistência à penetração do SPT. São Carlos, (Doctoral Thesis in) - Escola de Engenharia de São Carlos.