Estudo Comparativo entre Ensaio de Carga Dinâmica e Carga Estática de Projeto : Estudo de Caso

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1 Estudo Comparativo entre Ensaio de Carga Dinâmica e Carga Estática de Projeto : Estudo de Caso Wandemyr Mata dos Santos Filho, MSc Departamento de Engenharia Civil - UNAMA Universidade da Amazônia AlphaGeo Fundações Ltda Belém, Pará, Brasil João Franco Filho Engenheiro Civil Universidade da Amazônia Belém, Pará, Brasil Bárbara Caluff Rodrigues Engenheiro Civil Universidade da Amazônia Belém, Pará, Brasil RESUMO: Através de Prova de Carga Dinâmica, foram analisadas 5 (cinco) estacas pré- moldadas em perfil metálico de um edifício residencial de 29 pavimentos na cidade de Belém/PA, executadas em solo bastante heterogêneo, constituído basicamente de argila silto arenosa e areia silto argilosa, sendo o primeiro material predominante no perfil geotécnico. Os resultados obtidos nas Provas de Carga Dinâmica foram confrontados com a capacidade de carga estática de projeto obtida através de métodos Semi Empíricos de previsão capacidade de carga e também com resultados obtidos em formulações dinâmicas. PALAVRAS-CHAVE: Perfil metálico, Prova de Carga Dinâmica, Análise de dados. 1 INTRODUÇÃO Com o passar dos anos e fomentado pelo avanço da tecnologia, as edificações estão se tornando cada vez maiores e mais dispendiosas, inclusive sendo feitas em terrenos de baixa qualidade. Para que tais construções permaneçam estáveis são necessárias fundações competentes e leves, o que aumentou a procura por fundações metálicas. Há casos também em que pequenas edificações necessitam de fundações profundas por situarem-se em área de solos de baixa resistência. As estacas metálicas são ideias para quase todos os tipos de solo, uma vez que se adequam a viabilidade de cada terreno. (VÁRIOS AUTORES, 1998). Embora o custo de estacas metálicas ainda seja relativamente alto comparado com os outros tipos de estacas, em várias situações o uso se torna economicamente viável pois é possível atender várias fases da construção além de permitir cravação fácil, de baixa vibração, trabalhando bem à flexão e não apresentando problemas maiores quanto à manipulação, transporte, emendas ou cortes. (VÁRIOS AUTORES, 1998). A redução do tempo de construção também é um fator que leva muitos engenheiros a optarem pelas estacas metálicas, uma vez que é possível a fabricação da estrutura em paralelo com a execução das obras de fundação, montagem e concretagem de lajes. O processo de cravação é simples, rápido e extremamente eficiente, além de que há vantagem no peso das peças, que por serem leves e terem comprimento padrão facilitam a logística e armazenamento. A cidade de Belém por ser uma área de formação geológica sedimentar, encontra-se em sua maior parte sob uma grande camada de material argiloso, caracterizando solo de baixa resistência (SALAME, 2006). Devido a este fato, existem muitos casos de construções de pequeno porte, até mesmo casas, que necessitam de fundações profundas. A estaca metálica prémoldada é uma alternativa geotécnica que vem sendo bastante utilizada afim de solucionar esse contratempo no centro de Belém. Atualmente já podemos observar uma grande evolução nas estruturas metálicas. Máquinas foram aperfeiçoadas através da utilização de controles numéricos e computadores. Os nossos aços estruturais evoluíram, as opções de composição e resistência aumentaram. A nossa tecnologia de solda e os parafusos de alta

2 resistência atingiram os maiores índices de qualidade, comparáveis aos padrões internacionais. (ANDRADE, 1999). Atualmente muitos engenheiros estão começando a se dedicar às estruturas metálicas, pois já uma consciência técnica disposta a enfrentar a construção metálica de edifícios de andares múltiplos (para edifícios industriais não existem mais dúvidas a respeito). Com o avanço das técnicas de execução de fundações e devido ao grau de responsabilidade de certas obras, tornou-se essencial uma melhoria nas técnicas de monitoração, visando a obtenção de informações melhores e mais precisas durante as cravações, possibilitando um controle mais adequado às novas necessidades. O controle de campo da capacidade de carga pode ser realizado através de provas de carga estáticas, controle pela nega, controle pelo repique e o controle por instrumentação dinâmica. Nesse contexto, o monitoramento e o controle de fundações profundas através do uso de um adequado sistema de instrumentação, aquisição e interpretação de dados, desempenham um papel fundamental na avaliação do comportamento destas estruturas, notavelmente durante a fase de execução. O Ensaio de Carregamento Dinâmico (ECD), baseado na análise de cravação de estacas através de instrumentação e fundamentado na teoria da equação da onda (Smith, 1960), objetiva determinar a capacidade de carga da interação estaca-solo. Fornece informações a respeito da integridade da estaca, do deslocamento máximo e das tensões máximas de compressão e de tração durante o golpe, dentre outros subsídios. A evolução dos equipamentos eletrônicos de medição e dos computadores digitais fez com que as monitorações ganhassem muito em precisão e agilidade, permitindo que modelos complexos para a representação do comportamento da estaca e do solo durante a cravação fossem adotados. empreendimento é provida de 4 (quatro) sondagens SPT. As estacas selecionadas pelo projetista e consultor da fundação para a realização das Provas de Carga Dinâmicas estavam situadas entre as prospecções SP-03 e SP-04. As sondagens SPT SP-03 e SP-04 atingiram as profundidades de 41,45 metros e 40,45 metros, respectivamente. Ambas as investigações apresentaram um perfil geotécnico constituído em sua maior parte por argila silto arenosa de cor cinza, com camadas intervalares de areia siltosa em profundidades variadas. Os estudos geotécnicos foram concluídos, em uma camada de areia silto argilosa de cor cinza. Figura 1 - Sondagem SP-03 folha 01 Fonte: WS Geotecnia 2 IDENTIFICAÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS Investigação geotécnica da área estudada A área de estudo e destinada ao

3 Figura 2 - Sondagem SP-03 folha 02 Fonte: WS Geotecnia 3 METODOLOGIA APILCADA Foram realizadas 5 (cinco) provas de carga dinâmica, escolhidas pelo projetista e consultor da fundação, a Figura A mostra a localização das estacas nos seus respectivos blocos de coroamento. As estacas eram compostas de 4 (quatro) perfis metálicos (fabricação GERDAU), sendo o primeiro a ser cravado do tipo HP 310 x 79,0 e os demais HP 310 x 93,0. O objetivo principal da realização dos ensaios foi a verificação da capacidade de carga e integridade das mesmas. A capacidade de carga de projeto das estacas era de 1900 kn. Figura 4 - Imagem do Edf. Ville Trois Figura 3 - Área de estudo Fonte: google maps A construção que será realizada na área de estudo trata-se de uma estrutura de concreto armado convencional, constituída por pilares, vigas e lajes e um total de 29 pavimentos. A fundação da torre do empreendimento foi executada com estacas pré- moldadas metálicas. O projeto possuía um total de 89 (oitenta e nove) estacas, com profundidade estimada de 42 a 48 metros, sendo elas de três tipos: 4 estacas com perfil W 200x35,9 para suportar

4 até 50 tf; 7 estacas com perfil HP 310x79,0 para suportar até 140 tf; 78 estacas com 1 perfil HP 310x79,0 e 3 perfis HP 310x93,0 para suportar até 190 tf. A figura a seguir mostra simplificadamente o projeto de fundação da torre. estaca, tomando como partida o nível do terreno (N.T.). Em seguida, a instrumentação era conectada por meio de cabos a um analisador de cravação de estacas (Pile Driving Analyser PDA) do modelo PAX, fabricado pela Pile Dynamics Inc. (PDI). A figura 8 mostra o equipamento utilizado sendo manuseado. Figura 5: Projeto simplificado de fundação da torre. Fonte: CBM Construtora Bruno Mileo Foram realizadas 5 (cinco) provas de carga dinâmica, escolhidas pelo projetista e consultor da fundação, a Figura 6 mostra a localização das estacas nos seus respectivos blocos de coroamento. As estacas eram compostas de 4 (quatro) perfis metálicos (fabricação GERDAU), sendo o primeiro a ser cravado do tipo HP 310 x 79,0 e os demais HP 310 x 93,0. O objetivo principal da realização dos ensaios foi a verificação da capacidade de carga e integridade das mesmas. A capacidade de carga de projeto das estacas era de 1900 kn. Figura 7: Instrumentação concluída Figura 8: PDA sendo manuseado Para a realização das Provas de Carga Dinâmica foi utilizado um bate estaca de queda livre com plataforma sobre rolos, semelhante ao utilizado para a cravação das estacas, o mesmo possui martelo de 29 kn. Como sistema de amortecimento, o capacete metálico do bate estaca possuía cepo de madeira com 20 cm.. As Provas de Carga Dinâmicas foram realizadas com energia crescente, ou seja, a altura de queda do martelo era aumentada a cada golpe que o mesmo aplicava sobre a estaca. A tabela 1 apresenta alguns dados referentes à realização dos perfis metálicos. Figura 6: Localização das estacas ensaiadas Fonte: CBM Construtora Bruno Mileo A figura 7 demonstra o posicionamento da instrumentação nos prolongamentos de cada Tabela 1. Dados referentes à realização das provas de carga dinâmica

5 4 APRESENTAÇÃO DE RESULTADOS 4.1 Dados Obtidos pelo Método CAPWAP Durante a realização das Provas de Carga Dinâmica, o PDA processa os dados obtidos através da instrumentação no fuste da estaca, porém o Jc (fator de amortecimento dinâmico do solo) utilizado durante o ensaio foi arbitrário. Os dados obtidos foram analisados pelo método CAPWAP, onde o Jc foi reajustado, chegando a resistências máximas mobilizadas mais coerentes. A tabela 2, mostra os dados obtidos já analisado pelo método CAPWAP para o caso da estaca P Tabela 1. Dados da estaca P08-54 Através dos dados obtidos pelo PDA e analisados pelo método CAPWAP, é possível determinar as curvas de resistência mobilizada (RMX) versus o deslocamento máximo de cada golpe (DMX). A figura 9 representa a curva RMX x DMX da estaca ensaiada P08-54, e a figura 10 apresenta todas as curvas juntas. Figura 10: Curva Resistência x Deslocamento de todas as estacas ensaiadas Simulação de Prova de Carga Estátiva O método de análise CAPWAP é capaz de simular prova de carga estática, consequentemente elaborando uma curva carga x recalque. Nas figura 11 é apresentada a simulação de uma das estacas ensaiadas, correspondente a estaca P A linha contínua representa o comportamento da região onde houve a instrumentação no fuste da estaca, enquanto que a linha tracejada representa o comportamento da ponta da estaca. O método de análise CAPWAP calcula a carga e o recalque resultante no topo para cada carga incremental na ponta. Considerando a elasticidade do solo, da estaca, velocidade de deslocamento da estaca nula em relação ao solo. Após um período de repouso após a cravação, o comportamento registrado pode ser diferente, uma vez que a simulação é feita no momento do ensaio. Figura 11: Simulação de Prova de Carga Estática da estaca P08-54 Fonte: FUGRO IN SITU, 2012 Figura 9: Curva Resistência x Deslocamento da Estaca P Gráfico de Nega X Deslocamento Durante a execução das Provas de Carga Dinâmica com Energia Crescente, foi registrado através do PDA (Pile Driving Analyzer) valores

6 de deslocamento máximo a cada golpe, também foram registrados medições de nega com a utilização de papel e caneta. A figura 12 apresenta todos os gráficos reunidos. Os quais demonstram os valores de nega obtidos a cada golpe versus os valores dos deslocamentos máximos Figura 12: Gráfico de Nega x Deslocamento de todas as estacas ensaiadas 5 Considerações Finais Na figura 13, são feitas comparações entre a capacidade de carga estática de projeto obtida através de métodos semi-empiricos, as formulações dinâmica de Janbu e Dinamarqueses e as resistências máxima mobilizadas obtidas através do método CAPWAP. De todas as etacas ensaiadas Figura 13: Comparação entre resultados de todas as estacas Com o término desta pesquisa, as seguintes sugestões podem ser propostas para pesquisas futuras, tais como: Realizar estudos aprofundados com os dados obtidos pela análise CAPWAP, detalhando a mecânica das ondas e suas derivações; Estudar a influência do pré-furo que foi executado em duas das cinco estacas ensaiadas; Estudar o efeito set-up; Redimensionar a fundação com coeficiente de segurança reduzido. Após análise dos dados obtidos em campo e analisado pelo método CAPWAP, às seguintes conclusões foram obtidas: Todos os resultados foram considerados satisfatórios, comprovando a qualidade e confiabilidade do estaqueamento; As cargas mobilizadas pela Prova de Carga Dinâmica foram maiores que a carga estática de projeto; Os gráficos de Força Medida e Força Calculada obtiveram uma sobreposição satisfatória, comprovando a eficiência dos métodos de análise; O martelo de queda-livre utilizado mobilizou cargas satisfatórias, porém as mesmas poderiam ser mais elevadas caso o equipamento possuísse um martelo maior; Os gráficos de Nega x DMX mostraram que as estacas com maior tempo de cravação possuem melhor correlação que as estacas de cravação mais recentes; Controles de cravação por nega e formulações dinâmicas mostraram-se eficientes e confiáveis neste estudo de caso; Através de todos os ensaios com energia crescente analisado pelo método CAPWAP, conclui-se que a Prova de Carga Dinâmica é uma boa opção para verificar o comportamento de estacas; Devido a possibilidade apresentada pela NBR 6122/2010 da substituição de ensaios estáticos por dinâmicos em sua maioria e perante os resultados satisfatórios dos inúmeros estudos e da vasta experiência nacional e internacional acerca da comparação de Prova de Carga Estática com Prova de Carga Dinâmica, esta última vem sendo cada vez mais utilizada. Relação Custo x Beneficio melhor que da Prova de Carga Estática, devido sua boa produtividade e resultados conclusivos. REFERÊNCIAS Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 6122 Projeto e execução de Fundações. Rio de Janeiro RJ Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR Estacas Prova de Carga Estática

7 Método de Ensaio. Rio de Janeiro RJ Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR Estacas - Ensaio de Carregamento Dinâmico. Rio de Janeiro RJ Avelino, Janaina Dias. (2006). Análise de desempenho de estacas de fundação em um terreno com presença de solos moles. Rio de Janeiro. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal do Rio de Janeiro. Fugro (Fugro in situ geotecnia empresa de fundação). Ensaio de prova de carga em fundações Prova de Carga Dinâmica (PDA). id=8> Acesso em 24 set Gonçalves, Claudio; BERNARDES, George de Paula; NEVES, Luis Fernando de Seixas (2007). Estacas Pré-Fabricadas de Concreto: Teoria e Prática. 1ª Edição/2007 Gonçalves, Sérgio Fernandes. Estudo do comportamento à compressão de estacas metálicas curtas em solo sedimentar. Dissertação (Mestrado em Engenharia) Universidade Federal de Santa Maria, RS Hahichi, Waldemar ET AL. Fundações: teoria e pratica. 2ª edição. São Paulo: PINI, Herrera, Rodrigo; JONES, Lawrence E.; LAI, Peter (2009). Driven Concrete Pile Foundation Monitoring with Embedded Data Collector System. Florida. International Foundation Congress & Equipment EXPO. Salame, Antônio Massoud; Alencar Júnior, Júlio Augusto de. Fundações em Belém PA: práticas e mapeamentos. Belém: UNAMA, Monografia de Conclusão de Curso. Schnaid, Fernando. Ensaios de campo e suas aplicações à engenharia de fundações. São Paulo: Oficina de Textos, SOUSA, Cleocildo Aranha. (2010). Contribuição do mapeamento geotécnico de cidade de Belém-Pará. Belém. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Civil. Universidade da Amazônia. Vários Autores. Fundações Teoria e Prática. Editora Pini, São Paulo, Vieira, Silvio Heleno de Abreu. (2006). Controle da cravação de estacas pré- moldadas: avaliação de diagrama de cravação e fórmulas dinâmicas. Rio de Janeiro. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal do Rio de Janeiro