DESENVOLVIMENTO DE UM PENETRÔMETRO MANUAL PARA ESTIMATIVA IN LOCO DA RESISTÊNCIA DE SOLOS Mauro Leandro MENEGOTTO 1, Maicon José SIMON 2, Silvio Edmundo PILZ 3 RESUMO: O penetrômetro é um equipamento prático que permite estimar facilmente a resistência do solo in loco e obter resultados imediatos, permite também avaliar a resistência do solo à medida que proceda a abertura da cava de fundação. Esta pesquisa procurou identificar os diversos tipos de penetrômetros existentes, suas características mecânicas e seus sistemas de obtenção da estimativa de capacidade de carga do solo, com o objetivo de confeccionar um equipamento similar e de baixo custo. Para avaliar a eficácia do equipamento foram executados ensaios com bases de diferentes diâmetros comparando-as entre si e com o teor de umidade do solo. As tensões de ruptura apresentaram variações entre diferentes áreas de bases devido ao efeito escala, tomando como referência a base de 5 cm² os resultados de tensão de ruptura de solo da base de 1 cm² apresentaram variação média de 52,27%, já para a base de 2 cm² a variação média foi de 37,15%, essa variação para o mesmo solo é devido ao efeito escala. Pode-se observar que de modo geral com o aumento da umidade ocorre uma diminuição da tensão de ruptura do solo. PALAVRAS-CHAVE: ensaio de campo; tensão admissível. 1. INTRODUÇÃO: As fundações são um dos principais elementos estruturais de edificações e tem por finalidade transmitir ao solo todas as cargas provenientes da estrutura, desta forma é necessário o conhecimento do solo para escolher o tipo de fundação mais adequada para a determinada situação e posteriormente realizar o seu dimensionamento. Em obras de pequeno porte como residências onde não são realizados ensaios de sondagem do solo é usual o engenheiro utilizar uma barra de ferro de 12,5 mm de diâmetro, para avaliar a resistência do solo na cota de apoio de fundação, por não dispor de outro mecanismo prático e eficiente que não gere custos elevados à obra. Os penetrômetros são ferramentas essenciais para estimar a resistência do solo além de possibilitar a verificação durante a abertura da cava da fundação, permite obter uma estimativa quantitativa da resistência do solo ensaiado. No entanto, existem diversos tipos de penetrômetros no mercado cada um com características distintas, alguns com mecanismos computadorizados e outros com funções manuais. Tsuha (2003) avaliou a utilização de um penetrômetro manual para quantificar a resistência à penetração em um solo poroso e não-saturado. Os valores de tensão de ruptura obtidos nos ensaios penetrométricos foram comparados com valores de capacidade de carga de ensaios de placa e de provas de carga em sapatas realizados à mesma profundidade, no mesmo local, com medidas simultâneas de sucção. O trabalho comprovou a influência da sucção nos resultados dos ensaios realizados. Berti (2005) procurou estabelecer uma correlação entre os valores de capacidade de suporte resultantes dos ensaios DCP (Dynamic Cone Penetrometer) e o CBR (Califórnia Bearing Ratio), validando as correlações estabelecidas e propondo modelos próprios, aumentando a confiabilidade dos resultados dos ensaios DCP para avaliação da capacidade de suporte de solos. Neste trabalho será abordado o sistema de penetrômetro manual, avaliando os modelos existentes no mercado, seus sistemas de ensaios e obtenção da estimativa de resistência do solo. A partir destas informações foi desenvolvido um penetrômetro manual visando economizar com a construção do equipamento, sem afetar os resultados de ensaios e a vida útil do equipamento. Para avaliar o equipamento foram realizados ensaios na 1 Doutor em Geotecnia (Orientador), Grupo de Pesquisa em Geotecnia, Universidade Comunitária da Região de Chapecó UNOCHAPECÓ, e-mail: maurolm@unochapeco.edu.br 2 Acadêmico do Curso de Engenharia Civil, UNOCHAPECÓ 3 Mestre em Engenharia Civil, UNOCHAPECÓ
cidade de Chapecó, com abertura de cavas no solo ou em situações onde existiam cavas já abertas para a execução de fundações. 2. METODOLOGIA: Após a revisão da literatura foi desenvolvido um ante-projeto baseandose nas pesquisas e nas características do dinamômetro adquirido, componente fundamental do penetrômetro manual responsável pela indicação da carga aplicada no solo. Depois de desenvolvido o projeto com as especificações dos materiais que melhor se adaptam as necessidades do equipamento, bem como suas medidas, o mesmo foi levado a profissionais que trabalham com tornos mecânicos para confecção das peças que compõem o penetrômetro (Figura 1). Figura 1 Projeto desenvolvido do penetrômetro manual As peças confeccionadas foram: cabo metálico em aço galvanizado; prolongador em nylon; haste de base de cromo-prata com Ø 1,6 cm (área 2,0 cm²); bases em aço carbono SAE 1405 Ø 2,52 cm (área 5,0 cm²), Ø 3,57cm (área 10,0 cm²). Após a confecção das peças deu-se prosseguimento a montagem do equipamento cujas características visuais apresentaram a forma mostrada na Figura 4. Figura 4 Penetrômetro manual desenvolvido.
Para testar a eficiência do equipamento foram realizados pré-ensaios em cavas rasas, os ensaios apresentaram resistências variadas com pouca relação às características do solo ensaiado, devido ao efeito de compactação que a base de reação exerce sob o solo durante a execução do ensaio, e não penetração da ponta do penetrômetro no solo. Interpretando os resultados dos ensaios e revisão da literatura, decidiu-se por confeccionar bases cônicas com ângulo de 60 facilitando o rompimento do solo e cravação da ponta para efetuar a leitura da resistência do solo ensaiado. Desta forma, foi modificado o projeto das bases para cônicas com ângulo de 60. Além das áreas das bases anteriormente projetadas foi adicionado ao projeto uma nova dimensão de base correspondente a 1,0 cm². Para aferição do dinamômetro, o penetrômetro foi levado ao laboratório para efetuar ensaios de carregamentos e verificadas as informações expressas na escala dinamométrica. Foram utilizados carregamentos de 1 até 20 kgf, porém observou-se variação dos resultados entre a carga aplicada e a escala informada no dinamômetro. Os ensaios de campo com o penetrômetro foram realizados em sete diferentes locais do município de Chapecó SC. Três ensaios na Região do Bairro EFAPI, dois no bairro Pinheirinho, um no bairro Vila Real e outro no bairro Presidente Médici. Para cada um dos locais dos ensaios foram ensaiados três pontos, sendo que, em cada um foram executados dez ensaios com cada uma das bases cônicas. As características dos locais dos ensaios estão apresentadas na Tabela 1. Tabela 1 Características dos locais dos ensaios. Ensaio Localização Locais Profundidade (m) A Bairro EFAPI Cava de fundação 0,90 a 1,20 B Bairro Pinheirinho Cava de fundação 0,60 a 0,90 C Bairro EFAPI Unochapecó Corte 2,50 a 3,00 D Bairro Vila Real Corte 1,20 a 1,40 E Bairro Pinheirinho Corte 2,0 a 2,50 F Bairro EFAPI Abertura de Cava 0,30 a 0,40 G Bairro Presidente Médici Vala de Muro 0,40 a 0,60 Inicialmente nos locais onde não possuíam escavações recentes foram abertas cavas com no máximo 50 cm de profundidade e 70 x 70 cm de área, já em locais onde havia escavações (corte) apenas o solo superficial foi removido e onde havia cavas para fundação os ensaios foram executados tomando o cuidado na distribuição uniforme na cava. Após a realização dos ensaios de penetração era coletada uma amostra de solo a qual foi armazenada em embalagens plásticas, devidamente identificados, para evitar a perda de umidade até a chegada ao laboratório. No laboratório a amostra de solo era condicionada em cápsulas posteriormente pesada e levada à estufa para a determinação após 24 horas da sua massa seca. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES: Na Tabela 2 são apresentadas as médias de dez ensaios de tensão de ruptura, obtidas com as bases de 1 cm², 2 cm² e 5 cm², realizados com o penetrômetro manual e referentes aos sete locais avaliados da cidade de Chapecó. A Tabela 3 apresenta os resultados médios da tensão de ruptura do solo, onde se pode verificar que houve grande variabilidade entre as tensões medidas entre cavas com solos semelhantes, podendo ser explicado devido ao penetrômetro ser um equipamento sensível, capaz de detectar imperfeições no solo, aos efeitos da umidade do solo e também pelo solo não apresentar homogeneidade, tomando como exemplo os valores dos ensaios A. Observando a Cava 1, com umidade média de 28,9%, para base de 1,0 cm² apresentou uma tensão média de ruptura de 13,58 kgf/cm², com base de 2,0 cm² tensão média de ruptura de 9,11 kgf/cm², para a base de 5,0 cm² não pode ser estimada devido a carga ser superior a 4,4 kgf/cm². Já na Cava 2 com umidade média de 36,4% as tensões médias de ruptura para a base de 1cm² de 6,60 kgf/cm², para a base de 2,0 cm² apresentou 5,88 kgf/cm² e para 5,0 cm² com 3,79 kgf/cm². A partir deste ensaio pode-se afirmar que à medida que ocorre o aumento da umidade do solo ocorre à diminuição da sua capacidade
de carga. A seguir estão relacionados os gráficos de tensão de ruptura com a umidade do solo ensaiado. Tabela 2 Média das de tensões de ruptura kgf/cm². ENSAIOS BASES 1,0 cm² 2,0 cm² 5,0 cm² Cava 1 13,58 9,11 * A Cava 2 6,60 5,88 3,79 Cava 3 10,20 7,67 * Cava 1 7,36 5,04 4,12 B Cava 2 7,18 5,11 3,99 Cava 3 8,10 5,30 4,10 Cava 1 6,79 5,34 * C Cava 2 6,02 3,49 3,18 Cava 3 6,21 5,19 3,84 Cava 1 16,70 7,62 * D Cava 2 10,10 9,22 * Cava 3 10,19 7,09 4,17 Cava 1 10,87 10,29 * E Cava 2 7,77 5,34 4,25 Cava 3 8,06 5,05 4,27 Cava 1 7,23 5,91 3,79 F Cava 2 9,60 7,07 3,34 Cava 3 11,78 8,54 * Cava 1 6,94 6,27 3,79 G Cava 2 7,92 6,06 3,83 Cava 3 5,41 4,31 3,68 Obs.: (*) Valores em que o solo obteve tensão de ruptura superior a 4,4 kgf/cm². Tabela 3 Relação tensão de ruptura x umidade média. Cava 1 Cava 2 Cava 3 Umidade média 28,9% 36,4% 29,6% Base = 1cm² Base = 1cm² Base = 1cm² Média 13,58 6,60 10,20 Desvio Padrão 1,66 1,95 1,61 CV 0,12 0,30 0,16 Base = 2cm² Base = 2cm² Base = 2cm² Média 9,11 5,88 7,67 Desvio Padrão 0,54 1,13 1,14 CV 0,06 0,19 0,15 Base = 5cm² Base = 5cm² Base = 5 cm² Média * 3,79 * Desvio Padrão - 1,76 - CV - 0,47 - Na Figura 8 apresenta-se a relação entre a tensão de ruptura com o teor de umidade do solo, obtidos em três cavas de fundação para o solo do Bairro EFAPI (A). Analisando os gráficos de tensão x teor de umidade pode-se identificar que existe uma relação entre a tensão de ruptura e o teor de umidade do solo, observada no gráfico do ensaio A, ocorrendo o mesmo para os ensaios B e F. Havendo redução da tensão de ruptura com o aumento da umidade. Observou-se que, nos ensaios C, D, E e G, a relação não apresentou a mesma
relação, mas devido a pouca variação dos teores de umidade entre as cavas, podemos avaliar que a relação entre a tensão de ruptura tende a aumentar quando o solo estiver mais seco. Ensaio A - Bairro EFAPI Tensão de Ruptura (kgf/cm²) 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 13,58 10,20 9,11 7,67 6,60 5,88 3,79 28,9% 29,6% 36,4% 1 cm² 2 cm² 5 cm² Teor de Umidade (%) Figura 8 Relação da tensão de ruptura pela umidade. Segundo Caputo (1973) a influência do teor de umidade no índice de resistência do solo, ou seja, o índice de resistência à penetração decresce quando aumenta o teor de umidade. Já as variações observadas nos ensaios de tensão de ruptura entre base podem ser identificadas na Tabela 4. Tomou-se como base os valores da tensão de ruptura da base de 5cm² e relacionado com as a tensão de ruptura das bases de 1cm² e 2cm², observa-se as seguintes variações. Tabela 4 Relação das tensões de ruptura entre bases em função da base de 5cm². Relação Entre Bases em Função da Base de 5cm² Base A B C D E F G Média 1cm² 62,54% 46,07% 36,12% 63,33% 51,02% 62,58% 44,27% 52,27% 2cm² 49,77% 21,00% 22,68% 47,80% 36,44% 50,23% 32,13% 37,15% Média 20,41% 54,41% 37,20% 24,52% 28,57% 19,73% 27,43% 30,32% Observa-se na Tabela 4, a variação da resistência em ambas as bases, ou seja, quando o solo possui uma resistência superior este é identificado nos ensaios em ambas às bases, bem como quando o solo é menos resistente ocorre a minoração das resistências em ambas as bases, caracterizando entre em elas uma correlação. Os valores de tensões entre bases podem ser entendidos através do efeito escala, podendo ser visto na Figura 9, segundo Vargas (1978). Figura 9 Curva recalque em função do diâmetro da placa (Vargas, 1978).
Verifica-se que a partir do ponto C o gráfico apresenta-se constante, por isso o valor de 0,80m foi adotado pela ABNT como diâmetro ótimo para placas de prova de carga. 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS: O penetrômetro manual é um equipamento simples de fácil utilização que tem por objetivos estimar a tensão de ruptura de solo em fundações rasas, apresentando resultados imediatos da tensão de ruptura do solo ensaiado. Através de um estudo de avaliação dos penetrômetros disponíveis no mercado, partiu-se dos princípios de como seriam efetuadas as medidas da tensão de ruptura do solo, decidiu-se por utilizar como medida da carga aplicada no solo um dinamômetro de mola. Para o projeto penetrômetro manual baseou-se nas características do dinamômetro e assim procurou-se detalhar o projeto. Foi objetivo de estudo e consulta os materiais adequados para confecção das peças componentes do penetrômetro manual. O penetrômetro manual é um equipamento de fácil aplicação com peso aproximado de 1,2 kgf facilitando o manuseio, possui um dispositivo para que após o ensaio fique indicado na escala dinamométrica à carga aplicada no solo e a realização dos ensaios é rápida não excedendo a 1 minuto cada. Os valores das tensões de ruptura do solo apresentaram variações entre diferentes áreas de bases devido ao efeito escala, tomando como referência a base de 5 cm² os resultados de tensão de ruptura de solo da base de 1 cm² apresentaram variação média de 52,27%, já para a base de 2 cm² a variação média foi de 37,15%. Em função das variações das tensões entre ensaios com bases distintas no mesmo solo está diretamente ligado ao efeito escala. Esta necessita relacionar com ensaios de placa para locais próximos que apresentam características de solo semelhantes, assim quantificar o efeito escala e a equação para a relação entre as bases. A relação com a umidade e a tensão de ruptura pode-se observar que de modo geral com o aumento da umidade ocorre uma diminuição da tensão de ruptura do solo. Sugere-se, que os estudos de ensaios de tensão de ruptura do solo sejam continuados, atribuindo novas pesquisas com ensaios de placa usando como base para comparação e determinação dos resultados da tensão próximos aos locais dos ensaios. Obtendo a equação da tensão de ruptura de solo em função das bases do penetrômetro manual. REFERÊNCIAS BERTI, Carolina. Avaliação da capacidade de suporte de solos in situ em obras viárias através do Cone de penetração dinâmica - Estudo experimental. 2005. 142 f. Dissertação (Mestrado em Concentração de Transportes) - Faculdade de Engenharia Civil, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2005. Disponível em: http://libdigi.unicamp.br/document/?code=vtls000384065. Acesso em: 14 Setembro 2008. CAPUTO, Homero Pinto. Mecânica dos solos e suas aplicações. 3. ed. rev. ampl. Rio de Janeiro. LTC, 1973. TSUHA, Cristina de Holanda Cavalcanti. Utilização de Penetrômetro Manual em Solo Colapsível e Comparação com Resultados de Provas de Carga em Placa e em Sapata. 2003. 68 pg. Dissertação (Mestrado em Geotecnia) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2003. VARGAS, Milton. Introdução à mecânica dos solos. São Paulo: Makron Books do Brasil, 1978.