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COMPROVAÇÃO DO DESEMPENHO DE ESTACAS LONGAS COM ENSAIOS DINÂMICOS Faiçal Massad EPUSP, São Paulo, Brasil, faissal@usp.br RESUMO: O trabalho apresenta uma análise de ensaios de carregamentos dinâmicos de estacas longas de uma obra portuária de grande porte na Baixada Santista, para comprovação de seu desempenho. As estacas eram de concreto armado, com diâmetros externos de 80 e 90 cm e, internos, de 50 e 60 cm, respectivamente, comprimentos de até cerca de 50 m, e atravessaram camadas de solos marinhos, ficando embutidas em areias ou solos de alteração de rocha. As estacas, complementadas com tubos metálicos, foram em geral cravadas com ponta aberta. As análises foram feitas com o CAPWAP, com ênfase na simulação da prova de carga estática. Admitiu-se que o solo da ponta entra num processo de resiliência, isto é, responde elasticamente às solicitações impostas pela repetição dos ciclos de golpes (carga-descarga). Nessas condições, e com base em modelo matemático, mostra-se que há uma relação homotética entre as curvas de carga e descarga do ensaio dinâmico e que, nas recravações, face ao comprimento das estacas e ao efeito “set up”, a ponta é menos solicitada do que na cravação para a instalação das estacas. PALAVRAS-CHAVE: Estacas longas, desempenho, PDA, resiliência, repique elástico, "set up". 1 INTRODUÇÃO O ensaio de carregamento dinâmico é um ensaio rápido e econômico para comprovar o desempenho de estacas. No Brasil, a sua metodologia é especificada pela NBR 13208/09. A NBR 6122/10 (projeto e execução de fundações) estabelece critério para a substituição de provas de carga estáticas. Tudo começou com o "achado" de Casagrande (1942) de que a energia dispendida na compressão elástica de uma estaca não é “perda”: armazenada temporariamente, testa a resistência oferecida pelo solo à penetração dinâmica da estaca. A compressão elástica da estaca é uma medida da força com a qual o solo é ensaiado dinamicamente. Mas curiosamente, concluiu que é "impossível obter essa força a partir do valor do repique elástico"! Nos anos seguintes essa história mudou radicalmente: a) na década de 50 Chellis (1961) propõs o uso do repique elástico para estimar a capacidade de carga de estacas cravadas; b) na década de 60 Smith (1960) aplicou a Teoria da Propagação de Onda ao fenômeno da cravação dinâmica de estacas; e c) nas décadas de 70/80, com o advento de recursos computacionais, foram introduzidas análises da cravabilidade de estacas e a sua instrumentação com medidores de força e acelerômetros. O equipamento PDA (Pile Driving Analyser) e softwares especializados permitiram obter: a) a força máxima de impacto; b) a energia máxima do golpe; c) a eficiência do sistema de cravação; d) a avaliação de dano estrutural na estaca; e) os valores máximos de tensão, velocidade e deslocamento; e) a distribuição da resistência ao longo da estaca; e f) a simulação da prova de carga estática. 2 SIMULAÇÃO DA PROVA DE CARGA ESTÁTICA PELO ENSAIO DINÂMICO Originalmente, o ensaio de carregamento dinâmico consistia na aplicação de um ciclo de 10 golpes, com energia constante. Posteriormente foi introduzido o ensaio com energia crescente, que é um ensaio cíclico, que possibilita a obtenção da curva carga (Po) recalque (yo) do topo (Aoki, 1989 e 1991; Niyama e Aoki, 1991). Logo após, Rausche et al (1994) propuseram um procedimento para simular a prova de carga estática usando dados de um só golpe do martelo. 3. A RELAÇÃO DE VAN WEELE E A CONDIÇÃO RESILIENTE DA PONTA Na década de 50, Van Weele (1957) apresentou um método para a separação das cargas de atrito e ponta na ruptura, com base na interpretação de resultado de prova de carga estática cíclica em estacas. As cargas no topo eram crescentes, em vários ciclos, de tal forma que no final de cada ciclo eram zeradas. O método requeria: a) que, nos ciclos finais de carga-descarga, o atrito lateral fosse esgotado; e b) o conhecimento da distribuição do atrito ao longo do fuste. O método proposto por este autor consistia em construir o gráfico de carga máxima em função do repique elástico, medido no topo da estaca, ao final de cada ciclo de carga. Em seguida era feita a interpretação do trecho final, retilíneo, como indicado na Figura 1, o que possibilitava a separação referida acima. 0 500 1000 1500 2000 0 2 4 6 8 10 - Repique elástico no topo (mm) Po m ax (k N) Pomax=446+148 Figura 1: Carga Máxima em cada ciclo ( max oP ) em função do Repique elástico () -Adaptado e Van Weele (1957) Analisando detidamente os dados de Van Weele, Massad (2001) mostrou que a relação indicada na Figura 1 é válida quando o solo da ponta entra num processo de resiliência, com constância da sua rigidez no “rebound” (Rreb), o que é factível de ocorrer mesmo com o solo do fuste, em provas de carga com repetição de ciclos de carga-descarga. Ademais, deu uma interpretação física à Relação de Van Weele, que pode ser escrita, na sua forma mais geral: r2 r r2 r max o dρ K d c1μAP (1) Nessa equação (ver a lista de símbolos): a) Kr é a rigidez estrutural da estaca, de comprimento h, área da secção transversal S e Módulo de Young E, isto é: h SE Kr (2) b) c é a relação de Leonards e Lovell (1979), que depende da forma da distribuição do atrito ao longo do fuste; rA é o atrito lateral na ruptura; c) é o fator de majoração do atrito lateral, dado por: u res r h f f 1 A P 1μ (3) introduzido por Massad (1995) para levar em conta a carga residual presa na ponta (Ph), equilibrada pelo atrito lateral unitário residual (fres). Como rA = rA +Ph, tudo se passa como se a carga residual (Ph) fizesse parte do atrito lateral, por conta da reversão do atrito negativo no fuste. Sendo Rp a resistência de ponta, deve ser tal que: lr pp A SR 12;minμ1 (4) d) d2r, inclinação da reta da Figura 1, dada por: prebr2r SR 1 K 1 d 1 (5) mede a rigidez estaca-solo da ponta no rebound; Sp é a área da ponta da estaca. A dificuldade na aplicação desta fórmula é que c, definida pela expressão (1), é variável, exceto no caso de haver reversão total do atrito lateral no descarregamento, na situação Po=0. Neste caso, Ph= rA (=2) e c=1/2 se o atrito lateral unitário máximo (fu) for constante; ou c=2/3, se fu crescer linearmente com a profundidade. Valores de c para outras formas de distribuição de fu podem ser obtidos através dos nomogramas de Leonards e Lovell (1079) ou das fórmulas de Fellenius (1980). Para casos mais comuns, de camadas heterogêneas, c varia no intervalo 0,5-0,8. Sobre o assunto veja-se também Massad (2001). 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 5 10 15 - Repique elástico no topo (mm) P o m ax (k N ) Estaca BR-2 BR-1 BR-3 BR-4 201 Figura 2: Carga Máxima em função do Repique elástico -Provas de Carga Cíclicas – Apud Massad (2001) Tabela 1: Dados Gerais das Estacas Premoldadas de Concreto Analisadas Estaca De/ Di (cm) h (m) c Kr (kN/mm . rA (kN) RrebSp (kN/mm) 201 23/23 8,8 0,6 125 681 59 BR-1 50/32 11,1 0,5 308 536392 BR-2 60/40 11,0 0,5 373 847 570 BR-3 50/32 11,0 0,5 275 664 208 BR-4 50/32 11,0 0,5 275 861 197 Legenda: De e Di são os diâmetros interno e externo; h é o comprimento da estaca e Kr, a sua rigidez Massad (2001) aplicou a Relação de Van Weele Generalizada (equação 1) a um conjunto de 5 estacas prémoldadas de concreto, monitoradas dinamicamente com energia crescente, seguindo o procedimento de Aoki e Niyama. Os resultados, sintetizados na Figura 2 e na Tabela 1, mostram a sua potencialidade. 4. MODELO HOMOTÉTICO-RESILIENTE Um modelo matemático aplicável a estacas cravadas requer a consideração de vários aspectos do fenômeno de transferência de carga ao solo, como a ruptura progressiva ao longo do fuste, importante para estacas longas, e as cargas residuais presas na ponta. fu fres B y1 y1 y1R y f Breb Figura 3: 1 a . Relação de Cambefort Modificada Ph/ Rreb y2 y2R yp Rp qp R P'h/SPh/S Figura 4: 2a. Relação de Cambefort Modificada Massad (1995) propôs um modelo que incorpora esses aspectos e usa as Relações de Cambefort Modificadas (Figuras 3 e 4). Nesse modelo o coeficiente: E DB D h yK A k 2 1r lr (6) mede a rigidez relativa do conjunto estaca-solo do fuste. Nessa expressão y1 é o "quake" do fuste; D e h são o diâmetro e o comprimento da estaca; e B um dos parâmetros de Cambefort (ver a Figura 3). No que segue, admitiu-se que os valores máximo (fu) e residual (fres) do atrito lateral unitário são constantes ao longo do fuste. A curva carga (Po)-recalque (yo) do topo (Figura 5) pode ser expressa pelas seguintes equações (Massad, 1995): 1 o3 lro μy y z β' AμP (7) 2 lr o 2 1 o Aμ P 2 k 2 β' 1 yμ y (8) 2 rr lr o lro d K 1 RS 1 1 2K Aμ y AμP (9) Reportando-se à Figura 3, as equações (6), (7) e (8) referem-se, respectivamente, aos trechos 0-3 (pseudo elástico); 3-4 (mobilização progressiva do atrito, do topo à ponta); e 4-5 (desenvolvimento livre da resistência de ponta). O coeficiente ’ depende de características do conjunto solo-estaca; para estacas longas ’1 e o trecho 3-4 aproxima-se de uma parábola; para estacas muito rígidas, esse trecho desaparece, isto é, os pontos 3 e 4 coincidem. Os outros termos das equações (7), (8) e (9) são dados por: tanh(z)λ1 λtanh(z) β'3 kz z /KRS λ rp (10) é a rigidez relativa estaca-solo do fuste e da ponta e d2 é a inclinação da reta 4-5 da Figura 5. yo -R ec al qu e d o t op o Po - Carga no topo 3 4 6 8 5 7 0 9 Pomax yomax d2 d2r Figura 5: Curva teórica carga-recalque no topo Considerando-se a curva Po-yo do descarregamento (“rebound”) (Figura 5), pode- se fazer uma interpretação similar à do carregamento, já que nela segue-se um caminho inverso nas relações de Cambefort (Figuras 3 e 4). Massad (1995) mostrou que as expressões (7), (8) e (9) continuam válidas, desde que se substitua Po por Po=Po max -Po; yo por yo=yo max - yo; y1 por y1R; R por Rreb e por reb=2. Existe uma justificativa simples para reb=2, que se refere ao início do “rebound”. De fato, reportando-se à Figura 5, se o carregamento atinge pelo menos o ponto 4, o atrito lateral se desenvolve completamente em toda a profundidade, alcançando o valor fu (atrito lateral unitário na ruptura), atuando de baixo para cima. Nestas condições, a estaca está sob compressão, estado inicial para o descarregamento. À medida que a estaca é descarregada, o atrito lateral vai se revertendo, culminando com uma mudança de sentido (de cima para baixo). Logo, no início do “rebound”, tudo se passa como se fres reb =-fu, donde, pela segunda equação de (3), reb=2. O uso dessa cifra nessas condições também foi feita por Fellenius (2001), num contexto diferente. Em particular, na condição resiliente envolvendo a ponta e o fuste, tem-se: )yy(RRe)yy(BB R22rebR11reb (11) o que permite escrever, para o descarregamento: 1 o3 lro 2y y z β' A2P (12) 2 lr o 2 1 o A2 P 2 k 2 β' 1 y2 y (13) 2 rr lr o lro d K 1 RS 1 1 2K A2 y A2P (14) Comparando-se os pares de equações (7)- (12); (8)-(13) e (9)-(14) conclui-se que existe uma relação homotética entre as curvas de carga e descarga da Figura 5. A relação de homotetia é /2, sendo referido ao início da carga. Figura 6: Relação Homotética entre as curvas de carregamento e descarregamento, para =2. y o or ( y o =y om ax -y o ) Po or (Po=Po max-Po) Carregamento "Rebound" 3 4 7 8 0;6 Figura 7: Indicação da condição resiliente-homotética A Figura 6 ilustra o caso particular em que =2, revelando uma relação de simetria, com centro em O. Esse caso particular se aplica às curvas obtidas por simulação de um único golpe de ensaios de carregamento dinâmico. Tal fato não é surpreendente: as Equações (11) constituem-se numa das hipóteses básicas do Modelo da Equação de Onda de Smtih, como se pode ver em manuais (por exemplo, GRL 1998) e em Rausche (2002). Uma indicação de que a condição resiliente- homotética foi atingida pode ser observada em gráficos como o da Figura 7. Há uma coincidência entre trechos das curvas de carga e descarga ("rebound"). 4. O ENSAIO DINÂMICO E O DESEMPENHO DE ESTACAS LONGAS Na Baixada Santista tem sido comum a avaliação do desempenho de estacas através de ensaios de carregamento dinâmico. Tabela 2: Estratigrafia da área Solo SPT Espessuras Areias Argilosas (Mangue) 0 0 a 2 m Argilas de SFL 1 a 4 25 a 35 m Intercalações de areias 7 a 20 1 a 3 m Argilas Transicionais >4 2 a 4 m Areias com pedregulhos 6 a 12 2 a 6m Solos Residuais 10 a 50 variável Num caso de um grande empreendimento portuário foram empregadas estacas tubadas de concreto centrifugado, com pintura betuminosa em toda a sua altura, exceto nos 12m finais, com diâmetro externos (De) de 80 e 90 cm e diâmetros internos (Di) de 50 cm e 60 cm, respectivamente, complementadas com tubos de aço, em geral com 10 m de comprimento, com o mesmo De e chapa de 16mm de espessura. Os comprimentos das estacas variaram entre 25 e 50 m, face às condições estratigráficas do local (Tabela 1). O solo residual encontrava-se entre 30 e 45 m de profundidade. Em geral as estacas foram cravadas com ponta aberta e embuxaram. 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 0 5 10 15 20 At rit o La te ra l A pa re nt e (k N) Tempo de "set up" (dias) Estacas F50 e A41A Estaca O61 Estaca O11 Estaca K11 Figura 8: Efeito do "set up" no Atrito Lateral Dezenas de ensaios com carregamento dinâmico foram executados, na cravação e em recravações de 3 e 15 dias, analisadas com o CAPWAP (Case Pile Wave Analysis Program). A Figura 8 mostra a evolução do efeito "set up" ao longo do tempo para 5 estacas. Esse efeito éconhecido de longa data na Baixada Santista e foi recentemente discutido por Bilfinger (2010). Para um universo maior de ensaios foram preparadas as Figuras 9 e 10, admitindo que o atrito lateral se esgotou em cada golpe e que reb=2, donde Ph= rA . Isso implica em dizer que os valores fornecidos pelo CAPWAP são: a) o atrito lateral total aparente, igual a reb. rA =Ph+ rA , donde o atrito lateral total real ( rA ) vale: hrrebr P.AμA (15) b) a carga de ponta aparente Qp ap =Qp-Ph, donde a carga de ponta real (Qp) vale: r ap ph ap pp AQPQQ (16) Da análise da Figura 9 pode-se concluir que os atritos laterais totais reais ( rA ) aumentaram significativamente nas recravações (Figura 9-b), quando comparados com a cravação ou instalação (Figura 9-a), face ao "set up". 0 1000 2000 3000 4000 0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 A lr -A tri to La te ral R ea l (k N) Carga Total(kN) a) ENSAIOS DINÂMICOS NA CRAVAÇÃO Energia de 50 a 100 kN.m Energia de 100 a 200 kN.m 0 1000 2000 3000 4000 0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 A l r- At rit o La te ra l R ea l ( kN ) Carga Total (kN) b) ENSAIOS DINÂMICOS NA RECRAVAÇÃO (3 e 15 dias) Energia de 50 a 100 kN.m Energia de 100 a 200 kN.m Figura 9: Atrito Lateral Total Real - Efeito do "set up" 0 2000 4000 6000 8000 10000 0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 Q p -C arg a d e P on ta Re al (kN ) Carga Total(kN) a) ENSAIOS DINÂMICOS NA CRAVAÇÃO Energia de 50 a 100 kN.m Energia de 100 a 200 kN.m 0 2000 4000 6000 8000 10000 0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 Q p -C ar ga d e P on ta R ea l ( kN ) Carga Total(kN) b) ENSAIOS DINÂMICOS NA RECRAVAÇÃO (3 e 15 dias) Energia de 50 a 100 kN.m Energia de 100 a 200 kN.m Figura 10: Carga de Ponta Real Na ponta houve também um aumento, mas não tão significativo, como se observa comparando as Figuras 10-a e 10-b, pois, à medida que a componente de atrito aumentava por efeito do "set up", menos carga ia para a ponta. Fellenius (1998) chegou a conclusão semelhante ao analisar estacas longas cravadas em Porto Rico: o martelo não conseguiu mobilizar a capacidade de carga da estaca, especialmente a da ponta. É possível esclarecer um pouco mais essa questão comparando-se os dados das Figuras 11-a e 11-b. Verifica-se que, para energias mais altas (100 a 200 kN.m), as resistências de ponta reais mantiveram-se no mesmo nível, na cravação e nas recravações, entre 8 e 16 MPa. E isso porque nas recravações, o atrito lateral total real ( rA ) aumentou face ao "set up", contrabalançando a redução ocorrida em Qp ap (ver a equação 16). As cifras 8 a 16 MPa são consistentes com dados de provas de carga estáticas na Baixada Santista, conforme Ghilardi e Massad (2006). 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 R p -R es ist ên cia de Po nt a Re al (M Pa ) Carga Total(kN) a) ENSAIOS DINÂMICOS NA CRAVAÇÃO Energia de 50 a 100 kN.m Energia de 100 a 200 kN.m 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000R p -R es ist ên cia d e P on ta R ea l ( M Pa ) Carga Total(kN) b) ENSAIOS DINÂMICOS NA RECRAVAÇÃO (3 e 15 dias) Energia de 50 a 100 kN.m Energia de 100 a 200 kN.m Figura 11: Resistências de Ponta Reais Para completar a análise e confirmar os resultados obtidos, foram feitas simulações da curva estática de carga-recalque do topo para uma das estacas da obra. Trata-se da estaca O11, com 42,4 m de comprimento (35m cravados), De=80cm, Di=50cm e Kr=212 kN/mm, instalada com ponta aberta e martelo hidráulico BSP CG-240. Tomaram-se os seguintes parâmetros das análises com o CAPWAP: a) Pomax e Alr (Atrito Lateral Total Aparente); b) R.Sp=Carga de Ponta Aparente/Quake da Ponta; c) y1=Quake médio do fuste; d) o parâmetro c de Leonards e Lovell usando os dados de atrito lateral ao longo do fuste; e e) o repique elástico () pela Relação de Van Weele (equação 1). -50 -40 -30 -20 -10 0 0 2000 4000 6000 yo (m m ) Po (kN) (a) ESTACA O11 INSTALAÇÃO Pd 4 Ps 8 O -50 -40 -30 -20 -10 0 0 2000 4000 6000 yo (m m ) Po (kN) (b) ESTACA O11 Recravação 3 dias Pd 4 Ps 8 O -50 -40 -30 -20 -10 0 0 2000 4000 6000 yo (m m ) Po (kN) (c) ESTACA O11 Recravação 15 dias Pd 4 Ps 8 O Figura 12: Resistências de Ponta Reais Com esses dados e a aplicação do Modelo Homotético-Resiliente foi possível construir os gráficos da Figura 12. Nesses gráficos as abscissas dos pontos Ps valem rA (atrito lateral total aparente) e os pontos 4 (carga) e 8 (descarga) estão associados ao esgotamento do atrito lateral. De sua análise confirmam-se as relações homotéticas (no caso, de simetria) entre as curvas de carga e descarga e que o efeito "set up" desloca os pontos Ps e 4 para a esquerda e os pontos Pd e 8, para a direita. Para concluir, a Figura 13 permite comparar valores do repique elástico () determinados: a) através da Relação de Van Weele Modificada (Eq.1) e pelas análises com o CAPWAP (PDA). A proximidade entre valores é notável. Tal constatação abre a possibilidade de estimativas da carga máxima no topo (Po max ) medindo-se com lápis e papel. Para tanto basta estabelecer uma relação calibrada entre Po max e através das monitorações dinâmicas com o PDA. 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 Ca lcu lad o -V an W ee le -E q. 1 (m m ) PDA (mm) REPIQUE ELÁSTICO CALC. REL. VAN WEELE X PDA Figura 13: Repique elástico calculado x PDA 5. CONCLUSÕES O trabalho permitiu chegar às seguintes conclusões: a) na cravação de estacas o solo pode atingir a condição resiliente, isto é, responder elasticamente às solicitações impostas pela repetição dos ciclos de golpes (carga- descarga); b) na condição resiliente, há uma relação homotética entre as curvas de carga e descarga, que pode ser de simetria nas simulações feitas com os ensaios de carregamento dinâmico; c) na recravação, face ao comprimento das estacas e ao efeito “set up”, a ponta é menos soilicitada do que na cravação das estaca; d) a mobilização parcial da resistência de ponta nas recravações permite afirmar que os ensaios dinâmicos em estacas longas são como as provas de carga estáticas interrompidas precocemente, com reflexos na comprovação do seu desempenho; e e) a relação de Van Weele, calibrada pela monitoração dinâmica, pode ser usada para estimar a carga máxima em função do repique elástico, que pode ser medido com procedimentos mais, com lápis e papel, por exemplo. LISTA DE SÍMBOLOS A :Atrito lateral total rA :Atrito lateral total na ruptura B;Breb : Parâmetros de Cambefort (ver a Figura 3) c :Parâmetro Leonards e Lovell d2 :Rigidez do conjunto estaca-solo da ponta d2r :Valor de d2 no rebound (ver a Figura 5) De;Di :Diâmetros interno e externo da estaca E : Módulo de Young da estaca fu : Atrito lateral unitário máximo fres : Atrito lateral unitário residual h : Comprimento da estacak : Coeficiente de rigidez estaca solo (Eq. 6) Kr :Rigidez estrutural da estaca (Equação 2) Ph; P´h :Cargas residuais (ver a Figura 4) oP :Carga vertical no topo da estaca max oP :Carga máxima no topo da estaca Qp :Carga na ponta Qp ap :Carga de ponta aparente Rp : Resistência de ponta R;Rreb : Parâmetros de Cambefort (ver a Figura 4) S;Sp : Área da seção transv. e da ponta da estaca yo :Recalque do topo yo max :Recalque máximo do topo y1;y1R : Parâmetros de Cambefort (ver a Figura 3) y2;y2R : Parâmetros de Cambefort (ver a Figura 4) z : Raiz quadrada de k ´3; : ver a Equação 10 yo : yo max -yo Po : Po max -Po : Fator de majoração do atrito lateral (Eq. 3) :Repique elástico no topo da estaca REFERÊNCIAS Aoki, N. 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