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Comparação entre Cravação por Percussão e Jato de Água Cesar Alberto Ruver Professor da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS Ex-Professor/Pesquisador da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande - FURG cesar.ruver@gmail.com Bruna Ferronato Acadêmica do curso de Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande - FURG bruna_ferronato@live.com Daniel Dalla Vecchia Acadêmico do curso de Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande - FURG racer.daniel@gmail.com Evandro Max Rockenbach Spaniol Acadêmico do curso de Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande - FURG evandro.rockenbach@hotmail.com Gustavo Gregório da Silva Acadêmico do curso de Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande - FURG gsgregorio@hotmail.com Jones Munari Vilchez Palomino Acadêmico do curso de Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande - FURG jonespalomino@gmail.com RESUMO: A técnica mais comumente empregada para a cravação de estacas pré-fabricadas é a percussão. Esta técnica, apesar de amplamente utilizada no Brasil, apresenta uma série de inconvenientes, principalmente, em ambientes urbanos, devido aos ruídos e à possibilidade de vibração. Além disso, dependendo da compacidade e resistência do solo, a energia requerida para a cravação pode exceder a resistência estrutural do elemento a ser cravado, e, consequentemente, danificá-lo. Estas dificuldades requerem diferentes técnicas para a cravação, como a prensagem, a vibração ou por jato de água, que podem ser utilizadas independentemente ou de forma intercalada com a percussão. Dentre as técnicas citadas anteriormente, pode-se destacar a cravação por injeção de água. Esta técnica tem-se mostrado bastante promissora, principalmente, em solos arenosos muito compactos, por aumentar consideravelmente a produtividade; diminuir os problemas de vibração e ruídos; e preservar a integridade do elemento estrutural. Apesar das vantagens, considerando os mecanismos envolvidos – erosão e fluidização do solo provocados pelo jato de água, podem ocorrer alterações drásticas de comportamento e de resistência nas imediações do material onde a estaca está sendo cravada, as quais podem ser maléficas, em termos de comportamento tensão – deformação da fundação se comparado com a percussão. Considerando os poucos estudos conclusivos sobre o tema, o presente trabalho visa apresentar um estudo comparativo do comportamento entre estacas pré-moldadas cravadas por injeção de água e por percussão, com vistas a determinar o comportamento das primeiras. Para tanto, realizou-se um estudo em modelo reduzido em laboratório, onde, estacas de pequenas dimensões (comprimento de 70 cm e diâmetro de 7,5 cm) foram cravadas em um tanque metálico (diâmetro de 90 cm e altura de 120 cm) preenchido com areia fina eólica (estado compacto) por meio de percussão (martelo de 164 kg com altura de queda de 50 cm) e de jato de água (vazões de 1,1 e 2 m 3 /h). Após a cravação foram realizadas provas de cargas estáticas para verificar o comportamento carga-recalque e suas variantes. Pelas provas de carga, verificou-se que a capacidade de carga nas estacas cravadas com jato de água, foi consideravelmente prejudicada, em relação à estaca cravada somente por percussão (menos de 50%). Porém, nos ensaios onde após a cravação por jato de água, aplicou-se alguns golpes com o martelo, verificou-se que a capacidade de carga foi quase recuperada em sua totalidade. Ainda, verificou-se que a capacidade de carga é comandada pelos parâmetros hidráulicos do jato de água. PALAVRAS-CHAVE: Estacas pré-moldadas; Cravação por percussão; Cravação por jato de água. 1 INTRODUÇÃO Conforme Tsinker (1988), os construtores do leste europeu têm preferido a cravação por jato de água devido à economia de tempo, em detrimento à cravação por percussão. O autor cita, por exemplo, que uma estaca de concreto com dimensão de 35 x 35 cm e comprimento de 15 m, pode ser cravada em uma areia densa em menos de meia hora com o emprego desta técnica. Além disso, segundo o autor, há a vantagem de não provocar vibração e ser um método silencioso. A cravação pode ser realizada na vertical ou com qualquer inclinação. Além disso, tem-se a facilidade de correção da direção da cravação, bem como a estaca pode ser facilmente removida após a sua cravação, em caso de locação incorreta, por exemplo. Outra vantagem é a não danificação da estaca, que pode ocorrer na percussão em solos muito compactos ou rígidos. Segundo Gabr et al (2007), para as obras costeiras e marinhas na região litorânea do Estado da Carolina do Norte, EUA, é prática comum a utilização de estacas cravadas por percussão, porém devido à geologia local (composta por argila mole intercalada por camadas de areia rígida), a carga necessária para ultrapassar as camadas de areia rígida podendo danificar as estacas, sendo necessário a cravação por jatos de água, nestes casos. A técnica de cravação por jato de água pode ser utilizada do início até o fim da cravação, intercalada com percussão, ou ainda, o(s) último(s) metro(s) pode(m) ser cravado(s) por percussão. Este último procedimento, conforme citado por Tsinker (1988), é recomendado, pois o efeito dinâmico provocado pela percussão pode aumentar a densidade da areia que circunda a estaca, e consequentemente, aumenta o ângulo de atrito do solo. A cravação com jato de água difere drasticamente da cravação por percussão ou vibração. A técnica consiste em aplicar uma descarga de água próximo à ponta ou ao longo do fuste da estaca, com o objetivo de fluidizar o solo que circunda a estaca, fazendo com a estaca “se autocrave” no terreno. Os estudos que tratam da técnica cravação de estacas por jato de água tem-se concentrado em duas linhas: (a) definição e determinação de zonas de influência do jato de água (Tsinker, 1988; Gabr et al, 2007; Mezzomo, 2009); e (b) comportamento tensão-deformação (Tsinker, 1988; Gunaratne et al, 1999). Em termos de comportamento mecânico das estacas cravadas por jato de água ainda existem muitas dúvida e poucos trabalhos sobre o tema. Por exemplo, Gabr et al (2007) cita que existem restrições e até proibições para o uso desta técnica na costa oriental da Carolina do Norte, pelas autoridades estadunidenses (United States Army Corps of Engineers - USACOE, North Carolina Division of Water Quality, United States Fish and Wildlife Services, Division of Coastal Management e Enviromental Protection Agency - EPA), devido à falta de estudos, de especificações de projeto, de informações insuficientes sobre a técnica e seus efeitos no terreno e na água nas imediações da cravação. Neste sentido o objetivo deste trabalho é realizar um estudo comparativo entre a técnica de cravação por percussão e por jato de água, de modo a verificar a diferença no comportamento carga – recalque à compressão, desta em relação àquela técnica, em estacas pré- moldadas de concreto, em modelo reduzido. O comportamento foi avaliado por meio da realização de provas de carga estáticas. A técnica de cravação por jato de água foi avaliada sob diferentes aspectos, sendo verificada a diferentes vazões e aberturas (diâmetros) do bico injetor de água, e conseqüentemente, as velocidades do jato de água. Além dos ensaios das estacas cravadas somente com jato e somente com percussão, nas estacas que foram cravadas por jato de água, também, foram aplicados golpes demartelo, para avaliar o efeito do acréscimo da percussão nestas estacas. 2 METODOLOGIA E EQUIPAMENTOS O estudo foi realizado em laboratório com a utilização de estadas pré-moldadas em tamanho reduzido: diâmetro de 7,5 cm e comprimento de 75 cm, massa de 6,65 kg, confeccionadas com argamassa com resistência à compressão de 25 MPa aos 28 dias. Estas dimensões foram escolhidas, devido ao tamanho da camada de ensaios, constituído de tanque metálico com diâmetro de 90 cm e altura de 120 cm, preenchido com areia. Ao todo foram realizados dez ensaios, sendo dois somente a percussão (um com areia úmida e outro com areia imersa) e quatro com cravação por jato de água (com dois diâmetros de bico injetor – 8,5 mm e 17 mm – em com duas vazões – 1,1 m3/h e 2,0 m3/h, no estado imerso); e mais quatro com cravação de jato de água, os mesmos quatro anteriores, seguido de percussão com quatro golpes. A tabela 1 apresenta as características de cada ensaio. Tabela 1. Características dos ensaios Ensaio Cravação (b) Jato d´água D (c) Q (d) V (e) 1(a) P - - - 2 P - - - 3 J 8,5 1,1 5,4 4 J+P 8,5 1,1 5,4 5 J 8,5 2,0 9,8 6 J+P 8,5 2,0 9,8 7 J 17,0 1,1 1,3 8 J+P 17,0 1,1 1,3 9 J 17,0 2,0 2,4 10 J+P 17,0 2,0 2,4 Obs.: (a) realizado no estado úmido, os demias no estado imerso, (b) P = percussão e J = jato de água, (c) diâmetro em mm, (d) vazão em m3/h e (e) velocidade do jato em m/s Para a realização dos ensaios, houve a necessidade da montagem do aparato de laboratório, composto por: (a) sistema de cravação por percussão, (b) sistema de cravação por jato, e (c) sistema de prova de carga. 2.1 Sistema de Cravação por Percussão Convencionalmente as estacas pré-moldadas de concreto armado possuem seções quadradas cheias, cujos lados variam entre 16 e 35 cm, com comprimentos que vão de 3 a 12 m, com um Fck de 35 MPa. Os martelos usuais apresentam uma massa que varia de 1000 kg a 2500 kg, com altura de queda entre 0,5 e 1,0 m. Como utilizou-se estacas com diâmetro reduzido, houve a necessidade de um estudo escalar, de forma a corrigir a energia potencial a ser utilizada em laboratório. O estudo escalar teve como base o trabalho de Alves et al (2008). Os autores a partir da equação da onda verificaram que uma variação linear na seção da estaca, gera uma variação cúbica na energia potencial. Assim, considerando uma estaca com convencional com 22,5 cm de diâmetro cravada com um martelo de massa de 2500 kg, caindo a uma altura de queda de 0,90 m (Ep = 22.063,5 Nm), verifica-se o mesmo efeito na estaca reduzida (diâmetro de 7,5 cm, portanto 3 vezes menor), com um martelo de massa de 166,7 kg, caindo a uma altura de 0,50 m (Ep = 817,16 Nm, que corresponde a proporção de 27 = 3 3 ). Desta forma, utilizou-se um martelo com massa de 164 kg com altura de queda controlada de 0,50 cm. Ep = m.g.h (1) Onde: Ep = energia potencial, m = massa, g = 9,806 m/s 2 (aceleração da gravidade) e h = altura de queda A figura 1 ilustra o esquema da torre de cravação montada. A figura 2 mostra uma fotografia. A torre de cravação é composta por um pórtico metálico, onde é aparafusada a guia pela qual desliza o martelo em queda livre. O martelo é içado de forma manual por meio de um cabo de aço e por um conjunto de roldanas. Figura 1. Esquema do aparato de cravação por percussão montado para a realização dos ensaios Figura 2. Fotografia do aparato de cravação por percussão montado para a realização dos ensaios 2.2 Sistema de Cravação por Jato de Água O sistema de cravação por jato d´água foi montado com uma caixa d´água de polietileno (capacidade de 1000 litros) ligado à rede pública por meio de tubulação de PVC e controlado por uma bóia. O bombeamento é feito por meio de um motor-bomba (1cv, trifásica – 220v), cuja vazão máxima de bombeamento é de 7 m 3 /h. O controle da vazão é feito por meio de um inversor de freqüência (entrada monofásica e saída trifásica), compatível com a bomba. A vazão é lida de forma manual por meio de um rotâmetro de acrílico transparente (escala de 0 a 10 m 3 /h, com resolução de 0,1 m 3 /h). A tubulação que vai da caixa d´água até a saída do rotâmetro é composta por tubos e conexões em PVC soldável e/ou rosqueável. Da saída do rotâmetro até a estaca utilizou-se uma mangueira flexível. Junto à estaca (topo até a base), a tubulação volta a ser de PVC rígido. A tubulação de PVC DN 20 (diâmtro interno de 17 mm) foi concretada no interior. Para controlar o abetura da ponta (bico injetor) fixava-se um CAP perfurado. A figura 3 mostra o sistema de bombeamento. Figura 3. Fotografia do aparato de cravação por jato de água (motor-bomba, caixa d´água, rotâmetro, inversor de frequência e tubulação) 2.3 Sistema de Prova de Carga Para a realização das provas de carga, utilizava- se o mesmo pórtico usado para a fixação da guia do martelo, que funcionava como reação. A carga era aplicada por meio de um macaco hidráulico, acionado manualmente. Os recalques (em dois pontos diametralmente opostos e um solo a superfície da areia) e as cargas eram lidos por meio de transdutores, ligados a um data logger (Spider 8 da HBM), e este por sua vez ligado a um notebook. A aquisição dos dados era realizada de segundo em segundo por meio do software Catman 4.5, sendo os dados salvos em planilhas eletrônicas. A figura 4 mostra um croqui com o aparato para a realização das provas de carga. A figura 5 mostra uma fotografia do aparato. Figura 5. Estrutura montada para a realização das provas de carga Figura 6. Fotografia da estrutura para a realização das provas de carga (célula de carga, três transdutores de deslocamento, macaco hidráulico e data logger) 3 REALIZAÇÃO DOS ENSAIOS A realização dos ensaios consistia nas seguintes etapas: (a) compactação da areia no interior do tanque; (b) cravação das estacas; e (c) realização das provas de carga. A areia utilizada possuia granulometria fina (80% da composição) de origem eólica. Esta era compactada no interior do tanque em camadas de 10 cm, com umidade de 8%. A areia era compactada até o estado compacto (densidade relativa média medida de 86%). Após o preenchimento do tanque, o mesmo era enchido com água (no caso dos ensaios imersos). Após a compactação da areia era realizada a cravação da estaca por percussão ou jato de água. A figura 7a mostra a cravação por jato de água e a figura 7b mostra a cravação por percussão. (a) (b) Figura 7. Cravação das estacas por (a) jato de água e (b) percussão Após a cravação, eram realizadas as provas de carga estáticas com carregamento rápido (por tratar-se de areia). As provas de carga eram realizadas conforme a NBR NBR 12.131 (ABNT, 1991). Os incrementos de carga era realizados de 500 kgf e 500 kgf, até o limite de 5 toneladas, que era a capacidade máxima da célula de carga. Cada incremento de carga era mantido por cinco minutos, antes da aplicação do novo incremento de carga. Após o último carregamento, era realizado o descarregamento e 4 etapas (1,25 ton em 1,25 ton). Além do limitação de carga, havia o limite de recalques, pois o curso máximo dos transdutores era de 50 mm, sendo assim, para algunsensaios não foi possível levar os ensaios até a carga de 5 ton. Para as estacas cravadas por percussão, nos últimos quatro golpes era medida a nega e o repique. O deslocamento das estacas era riscado de forma contínua por um lápis precionado, sobre uma fita adesiva (crepe) colada na estaca, por meio de um elástico. 4 RESULTADOS As tabelas 2 e 3 mostram a compilação dos resultados das dez provas de carga realizadas. A figura 8 mostra um exemplo de curva de carga x recalque (ensaio 10) com a leitura de cada um dos transdutores de deslocamento. A figura 9 apresenta a comparação entre os ensaios a percussão com (ensaio 1) e sem imersão (ensaio 2). A figura 10 apresenta uma comparação entre os resultados de ensaios realizados pelos três métodos de cravação ensaiados (percussão, jato de água e percussão mais jato de água). Tabela 2. Resultado das provas de carga n Qr (a) (kN) r (b) (mm) t (c) * Golpes (d) Nega (e) (mm/golpe) 1 29,57 2,70 3m54s 18 14,5 2 23,79 2,66 4m33s 21 17,2 3 11,00 2,57 0m26s - - 4 14,47 2,60 1m18s 4 14,3 5 6,52 2,54 0m17s - - 6 16,10 2,61 1m09s 4 16,1 7 2,49 2,52 0m30s - - 8 20,70 2,64 1m22s 4 24,8 9 2,84 2,52 0m23s - - 10 18,24 2,62 1m15s 4 22,0 Obs.: (a) carga de ruptura, confrome critério na NBR 6122 (ABNT, 2010), (b) recalque na carga de ruptura, (c) tempo de cravação, (d) número total de golpes empregados na cravação, (e) registro para os quatro últimos golpes Tabela 3. Resultado das provas de carga n Qm (a) (kN) m (b) (mm) hsup (mm) (c) K (kN/m) x 100 (d) 1 53,38 24,43 -0,02 218,5 2 51,14 38,44 -0,13 133,0 3 34,34 27,61 -0,14 124,4 4 33,78 39,76 -0,08 85,0 5 22,45 44,62 -0,08 50,3 6 37,40 43,08 0,01 86,8 7 21,05 49,31 -0,35 42,7 8 42,23 45,81 -0,10 92,2 9 21,00 48,55 -0,12 43,3 10 42,83 37,25 -0,05 115,0 Obs.: (a) carga máxima aplicada, (b) recalque na carga máxima, (c) movimentação da areia na superfície, (d) coeficiente de rigidez Os resultados de carga e recalque apresentados nas tabelas 2 e 3 correspondem aos valores médios dos dois transdutores de deslocamentos instalados em cada estaca. Figura 8. Exemplo de resultado de ensaio com o registro individual de cada um dos transdutores de deslocamento (ensaio 10) Figura 9. Comparação entre os resultados das provas de carga das estacas cravada a percussão com e sem imersão Figura 10. Comparação entre os resultados pelas três técnicas de cravação (ensaio 2 – somente percussão, ensaio 5 – somente jato de água e ensaio 6 – percussão seguido de jato de água) Conforme a NBR 6122 (ABNT, 2010) a carga de ruptura pode ser obtida a partir de provas de carga estática em estacas. A carga de ruptura corresponde à carga em que não há estabilização dos recalques, ou seja, ocorrem deformações contínuas sem acréscimo de carga. Quando não ocorre ruptura nítida, a carga de ruptura deve ser correspondente ao recalque, determinado pela equação 2, que foi o caso, para todas as provas de carga realizadas. Os valores de carga de ruptura podem ser vistos na tabela 2. 30. . D EA LP r (2) Onde: r = recalque (mm); P = carga (kN); L = comprimento da estaca (70 cm); A = área seção da estaca (4,42x10 -3 m 2 ); E = módulo de elasticidade da estaca (2,5x107 kPa), D = diâmetro da estaca (7,5 cm) Como pode ser visto na tabela 2, a cravação por jato de água (da ordem de 20 segundos) mostra-se bem mais eficiente que a cravação por percussão (da ordem de 4 minutos). Já a cravação mista, o tempo de cravação foi intemediário (cerca de um minuto e quinze segundos). Neste sentido pode-se verificar que a cravação por de jato de água é extremamente versátil e rápida. Quanto ao controle de cravação por percussão, verificou-se não ser possível o registro do repique (valor muito pequeno), sendo somente possível o registro da nega, cujos valores são mostrados na tabela 2. Comparando- se os ensaios realizados com cravação somente a percussão, verifica-se uma nega menor para areia não imersa, em relação a areia imersa. A nega menor representa uma resistência maior, o que se confirma se for feita uma análise em termos de carga de ruptura. Este fato pode ser explicado por uma tensão efetiva maior na estaca não imersa. Agora, analisando os resultados das provas de carga cravadas com jato de água mais percussão, verifica-se uma tendência ao contrário, ou seja, um aumento na carga de ruptura com o aumento da nega, conforme mostrado na figura 11. Para estes ensaios a tensão efetiva é a mesma (todos imersos), no entanto, o que varia são os parâmetros hidráulicos, como velocidade e vazão do jato de água, o que de fato comandam o comportamento destas fundações. Nas figuras 12 e 13 são mostradas as variação da nega e da carga de ruptuta pela velocidade do jato de água. Verifica-se uma tendência de ambos os parâmetros diminuirem com o aumento da velocidade. Figura 11. Comparação entre as cargas de ruptura para os diferentes ensaios em função da nega Figura 12. Nega pela velocidade do jato de água Figura 13. Carga de ruptura pela velicidade do jato de água O aspecto mais importante a ser analisado é quanto à carga de ruptura. A tabela 2 mostra os valores da carga de ruptura, já a figura 14 mostram estes valores, em termos percentuais em relação à estaca cravada somente a percussão no estado imerso. Analisando os resultados, verifica-se uma considerável perda de carga (27% e 46%) para a menor vazão (1,1 m 3 /h), e quase totalidade de perda de carga (10% e 12%) para a maior vazão (2,0 m 3 /h). Por outro lado, aplicando-se somente quatro golpes de percussão, após a cravação por jato de água, verifica-se um aumento considerável da carga de ruptura, a qual se aproxima do valor de 100%. Interessante observar que os maiores valores de carga (77% e 87%) são para a maior vazão. Analisando as provas de carga em termos de velocidade do jato (figura 13), verifica-se que para a cravação mista quanto maior a velocidade do jato há uma tendência de menor ser a carga de ruptura. Já para as estacas cravadas somente com jato, verifica-se que existem uma velocidade em que a carga de ruptura é máxima. Figura 14. Comparação entre as cargas de ruptura para os diferentes ensaios Na tabela 3 são mostrados os resultados da movimentação da areia na superfície, em um afastamento de seis vezes o diâmetro da estaca. Os resultados negativos mostram que a movimentação foi no sentido contrário dos recalques, ou seja, ocorreu levantamento da areia. O levantamento da superficie mostra que ocorreu um desconfinamento da areia devido a penetração da estaca, que se encontra no estado compacto. Este fato mostra que o jato de água revolveu a areia somente nas imediações das estacas, não afetando significativamente a areia mais afastada. 5 CONCLUSÕES A partir dos resultados é possível verificar que apesar da versatilidade e a rapidez na cravação das estacas por meio do jato de água, verifica-se uma baixa capacidade de carga, se comparado com a cravação por percussão. No entanto, o estudo mostra que a técnica da caravação mista – percussão seguida de alguns golpes do martelo de percussão eleva consideravelmentea capacidade de carga, a valores que podem chegar próximo aos da técnica de cravação somente a percussão. Verificou-se que o comportamento é comandado pelos parâmetros hidráulicos, como a vazão e a velocodade do jato, os quais precisam ser levados em consideração para a plicação da técnica. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer ao CNPq, pelos recursos financeiros destinados ao projeto contemplado no Edital Universal n. 14/2011. REFERÊNCIAS ALVES, A. M. L.; LOPES, F. R.; DANZIGER, B. R. (2008) Dimensional analysis of the wave equation applied to pile driving. Science. Technology and Practice. IOS Press, p. 115-121; ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). (1992) Norma ABNT NBR 12.131: Estacas – Prova de Carga Estática, Rio de Janeiro/RJ, 4p.; ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). (2010) Norma ABNT NBR 6.122: Projeto e Execução de Fundações, Rio de Janeiro/RJ, 103p.; GABR, M. A.; BORDEN, R. H.; SMITH, A. W.; DENTON, R. L. (2007) Laboratory Characterization of Jetting-Induced Disturbance Zones. Geo-Denver 2007: New Peaks In Geotechnics, p. 1-10; GUNARATNE, M.; HAMEED, R. A.; KUO, C.; REDDY, D. V.; PATCHU, S. (1999) Investigation of the Effects of Pile Jetting and Preforming. Thechnical Repport No. 772, Florida Department of Transportation, 137p.; MEZZONO, S. M. (2009) Estudo dos Mecanismos de Fluidização em Areias com Jato de Água. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, PPGEC/UFRGS, Porto Alegre/RS, 180p.; TSINKER, G. (1988) Pile Jetting. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 114, no. 3, p. 326-334.
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