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Ensaio de Carregamento Dinâmico

GILMAR FONTES 

 

Perguntas mais freqüentes

1.   O que é Ensaio de Carregamento Dinâmico (ECD)?   2.   É um ensaio novo?   3.   Que sensores são usados e como são instalados?   4.   Que informações podem ser obtidas com o ECD?   5.   Como é feito o ECD em estacas cravadas?   6.   Como é feito o ECD em estacas moldadas "in loco"?   7.   O ECD fornece resultados na hora?   8.   O ECD fornece diretamente a capacidade de carga estática?   9.   O ECD pode ser usado em qualquer tipo de estaca?   10. Quantos ensaios podem ser feitos por dia?   11. Que tipo de martelo devo usar?   12. Existem correlações entre provas estáticas e ECD?   13. Qual o grau de precisão do ECD?   14. O ECD é aceito pela norma?   15. O ECD substitui as provas estáticas?

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1. O que é Ensaio de Carregamento Dinâmico (ECD)?

Também chamado de ensaio dinâmico ou prova de carga dinâmica, é um ensaio que objetiva principalmente determinar a capacidade de ruptura da interação estaca-solo, para carregamentos estáticos axiais. Ele difere das tradicionais provas de carga estáticas pelo fato do carregamento ser aplicado dinamicamente, através de golpes de um sistema de percussão adequado. A medição é feita através da instalação de sensores no fuste da estaca, em uma seção situada pelo menos duas vezes o diâmetro abaixo do topo da mesma. O sinal dos sensores são enviados por cabo ao equipamento PDA, que armazena e processa os sinais "on line". 
 

2. É um ensaio novo?

O ECD é baseado na teoria da onda. É fato sabido a muito tempo que quando uma estaca é atingida por um golpe, é gerada uma onda de tensão. Essa onda trafega com uma velocidade fixa e dependente apenas das características do material.  O início da aplicação destes conhecimentos na prática, porém, data  da década de 1960, com o progresso dos computadores e da eletrônica. O trabalho de E.A.Smith (1960) foi a primeira solução da equação da onda usando computadores. As pesquisas que culminaram com o desenvolvimento do PDA e do método  de ensaio dinâmico iniciaram-se no final dos anos 60, chefiadas pelo Prof. George G. Goble, na Universidade Case Western, EUA.  
 

3. Que sensores são usados e como são instalados?

 

São usados dois pares de sensores como os mostrados ao lado. O sensor da direita é um transdutor de deformação específica. Ele gera uma tensão proporcional à deformação sofrida pelo material da estaca durante o golpe. O sensor da esquerda é um acelerômetro, que gera uma tensão proporcional à aceleração das partículas da estaca.  O sinal de cada um dos transdutores de deformação é multiplicado pelo módulo de elasticidade do material da estaca e pela área de seção na região dos sensores, para obtenção da evolução da força em relação ao tempo. Por isso esses transdutores as vezes são chamados de sensores de força. O PDA tira a média dos dois sinais de força assim obtidos, a fim de detectar e compensar os efeitos da excentricidade do golpe.  O sinal de cada um dos acelerômetros é integrado, para obtenção da evolução da velocidade de deslocamento da partícula com o tempo. Por isso esses transdutores as vezes são chamados de sensores de velocidade. Da mesma forma que os sinais de força, o PDA também trabalha com a média dos dois sinais de velocidade assim obtidos.

São instalados dois pares de sensores, em posições opostas em relação ao eixo de simetria da estaca ( foto 1). Para fixação dos parafusos, são instalados chumbadores de expansão nas estacas de concreto ( foto 2), ou são feitos furos com rosca nas estacas tubulares metálicas. No caso de perfis metálicos ou trilhos, são feitos furos passantes, e os parafusos apertados através de porcas ( foto 3). 
 

4. Que informações podem ser obtidas com o ECD ?

O principal objetivo do ECD é o de obter a capacidade de ruptura do solo. Entretanto, paralelamente muitos outros dados podem ser obtidos pelo ensaio. Alguns dos mais importantes são:

1. Tensões máximas de compressão e de tração no material da estaca durante os golpes.
2. Nível de flexão sofrido pela estaca durante o golpe.
3. Informações sobre a integridade da estaca, com localização de eventual dano, e estimativa de sua intensidade.
4. Energia efetivamente transferida para a estaca, permitindo estimar a eficiência do sistema de cravação.
5. Deslocamento máximo da estaca durante o golpe.
6. Velocidade de aplicação dos golpes, e estimativa de altura de queda para martelos Diesel de ação simples.
7. Através da análise CAPWAP®, é possível separar-se a parcela de resistência devida a atrito lateral da resistência de ponta, e determinar a distribuição de atrito ao longo do fuste. Essa análise, geralmente feita posteriormente em escritório a partir dos dados armazenados pelo PDA, permite também obter outros dados de interesse, como o limite de deformação elástica do solo. 

 

5.  Como é feito o ECD em estacas cravadas?

Existem duas maneiras básicas de fazer o ECD em estacas cravadas:

1. É possível instalar os sensores no início da cravação, e ir registrando os golpes à medida que a estaca penetra no solo. Esse tipo de ensaio visa obter informações como desempenho do sistema de cravação, riscos de quebra, etc. A capacidade de carga de uma estaca ao final da cravação geralmente é diferente daquela após um período de repouso, devido a fenômenos como dissipação de poro-pressão, relaxação, etc. Portanto, a capacidade medida ao final da cravação não pode ser comparada diretamente com o resultado de uma prova estática.
2. Para determinação da correta capacidade de carga de longo prazo da estaca cravada é recomendável fazer-se o ensaio em uma recravação, realizada alguns dias após o término da cravação. O intervalo de tempo entre o final da cravação e a realização do ensaio deverá ser o maior possível, principalmente em solos argilosos ou que exibam relaxação. O bate-estacas é reposicionado na estaca, os sensores são instalados e em seguida são aplicados alguns poucos golpes. Quando é possível controlar a altura de queda do martelo, é usual começar-se com uma altura baixa, e ir-se aumentando gradualmente a energia aplicada, até que se verifique a ruptura do solo, ou se o PDA indicar tensões que ponham em risco a integridade do material da estaca.  A ruptura do solo geralmente é caracterizada quando a resistência deixa de aumentar (ou as vezes até diminui) com o aumento da altura de queda. 

 

6. Como é feito o ECD em estacas moldadas "in loco"?

Em estacas moldadas "in loco", é necessário fazer um preparo prévio, que consiste na execução de um bloco de concreto armado (fck>30 MPa) para receber os impactos. O bloco deverá ter seção transversal parecida com a da estaca, e altura de cerca de 1,0 m. Os sensores devem ser  instalados no fuste da estaca, e não no bloco ( foto 4). Os golpes são aplicados por qualquer sistema capaz de liberar um peso em queda livre. O pilão a ser utilizado deverá ter um peso correspondente a de 2% a 3% da carga de trabalho prevista para a estaca (ver também pergunta 10). Deve-se usar chapas de madeira compensada, as vezes encimadas por uma chapa metálica, para amortecimento dos golpes ( foto 5). O ensaio é executado da mesma maneira que no item 2 anterior, exceto que geralmente nesses casos é necessário cautela para que a estaca não entre em regime de cravação. 
 

7. O ECD fornece resultados na hora?

A capacidade de carga é calculada pelo PDA entre dois golpes sucessivos. Entretanto, isso é feito usando um algoritmo simplificado, chamado de "Método CASE". Esse resultado só é válido para estacas homogêneas, e tem que ser confirmado posteriormente por pelo menos uma análise CAPWAP®. No caso de estacas homogêneas, é comum fazer-se uma análise CAPWAP® somente, e usar os parâmetros obtidos nessa análise para aferir os resultados obtidos pelo método CASE para as demais estacas. O PDA fornece em campo outros resultados, como máximas tensões durante o golpe, energia máxima transferida, etc. Esses valores em geral podem ser usados diretamente. 
 

8. O ECD fornece diretamente a capacidade de carga estática?

Sim. O ECD leva em consideração que o deslocamento rápido da estaca num meio viscoso como o solo produz uma resistência estática e uma dinâmica. Essa última é subtraída da resistência total medida, sendo sempre informado apenas o valor da resistência estática. Na análise CAPWAP®, a resistência dinâmica é determinada por meios matemáticos, a partir da forma dos sinais de força e velocidade medidos. No método CASE usado em campo, o percentual de resistência dinâmica é definido através de um fator (chamado de Jc, ou simplesmente "jota"). O valor correto de Jc é geralmente determinado através de correlação com o resultado da análise CAPWAP®. Na falta dessa correlação, poderá ser usado um valor para Jc estimado a partir da classificação do solo. Nesse caso, o valor informado de capacidade será necessariamente sujeito a confirmação. Uma possibilidade nesses casos é variar-se o Jc dentro de limites razoáveis, e informar a capacidade dentro de uma faixa possível.

É interessante saber que o PDA pode processar os dados em unidades métricas, no Sistema Internacional (SI) ou em unidades inglesas. Os resultados são fornecidos diretamente no sistema de unidades escolhido, sem necessidade de qualquer conversão. 
 

9. O ECD pode ser usado em qualquer tipo de estaca?

Sim, em praticamente todo tipo de estaca. É preciso apenas ter cautela no caso de estacas tipo raiz, onde grandes e imprevisíveis variações de área de seção são possíveis. No caso de estacas com variações planejadas de características ao longo do fuste, a única restrição é que o método simplificado CASE não se aplica, e terá que ser necessariamente feita uma análise CAPWAP®. Essa mesma consideração se aplica para estacas com moderadas variações imprevistas, como ocorre muitas vezes em estacas moldadas "in loco". 
 

10. Quantos ensaios podem ser feitos por dia?

Com base em nossa experiência, elaboramos a tabela abaixo que dá uma estimativa do número de ensaios que é usual fazer-se em um dia. Essa tabela é apenas uma estimativa, já que inúmeros fatores imprevisíveis podem influir no rendimento do serviço:

Tipo de ensaio	Número de estacas por dia
Recravação - estacas pré-moldadas, trilho ou perfil - em terra - um bate-estacas disponível	4 a 7
Recravação - estacas pré-moldadas, trilho ou perfil - em terra - mais de um bate-estacas disponíveis para o ensaio, ou bate-estacas sobre esteira	5 a 10
Estaca moldada "in loco" (Franki, hélice contínua, etc.)	3 a 5
Cravação - estacas pré-moldadas, trilho ou perfil - em terra	3 a 5
Cravação - estacas pré-moldadas ou tubulares metálicas - em água	1 a 2
Recravação - estacas pré-moldadas ou tubulares metálicas - em água	1 a 3

 

11. Que tipo de martelo devo usar?

É importante usar um martelo capaz de aplicar uma energia que mobilize o máximo possível da resistência disponível do solo. É comum um martelo ser capaz de cravar uma estaca, porém não possuir energia suficiente para mobilizar toda a resistência, passados alguns dias do término da cravação. No caso de se dispor de martelo de queda livre, pode-se aumentar a altura de queda, até certo limite. Para estacas moldadas "in loco", sugere-se o uso de um pilão com peso equivalente a de 1 % a 1,5% da carga de ruptura que se deseja medir. Para fator de segurança mínimo igual a 2,0, isto corresponde a de 2% a 3% da carga de trabalho. Por exemplo, estaca para carga de trabalho igual a 100 tf, com fator de segurança igual a 2,0 é necessário medir 200 tf. O pilão deverá ter de 2 a 3 tf. 
 

12. Existem correlações entre provas estáticas e ECD?

Inúmeras. Desde o início do desenvolvimento do método têm sido feitas comparações entre seus resultados e provas estáticas. Diversos trabalhos têm sido publicados ao redor do mundo, mostrando boas coincidências  dos resultados dos dois tipos de ensaios, em vários tipos de estacas nos mais diversos tipos de solo.  
 

13. Qual o grau de precisão do ECD?

É uma pergunta de difícil resposta, na medida em que não existe um padrão absoluto com o qual se possa comparar os resultados do ECD. Em primeiro lugar, para que os resultados dos dois ensaios possam ser comparados, é necessário que sejam atendidas diversas condições:

• Ambos os ensaios devem ter sido feitos na mesma época, ou seja, um intervalo de tempo aproximadamente igual deve ter transcorrido entre o final da cravação e ambas as provas.
• A estaca não deve ter tido suas características muito alteradas pelo primeiro dos ensaios efetuados.
• Ambos os ensaios devem ter sido levados à ruptura.

A outra dificuldade se prende à definição de ruptura. Uma mesma prova de carga estática pode produzir várias cargas de ruptura, de acordo com o critério de interpretação utilizado. Como regra geral, pode-se estabelecer os seguintes critérios na interpretação dos resultados do ECD:

• Se tiver sido caracterizada a ruptura do solo durante o ECD, e se o ensaio foi feito um tempo suficientemente longo após a cravação, o valor obtido no ECD deve ser considerado como muito próximo da real carga de ruptura para essa estaca. O valor obtido jamais deverá ser multiplicado por qualquer fator de correção para a obtenção de um "valor estático".
• Se não tiver sido caracterizada a ruptura do solo durante o ECD, então o valor obtido estará necessariamente abaixo da real carga de ruptura para essa estaca. Se a máxima carga mobilizada no ensaio já for superior à carga de trabalho multiplicada pelo fator de segurança, pode-se dizer com segurança que a estaca atende aos requisitos de projeto. A possibilidade de extrapolação dos resultados do ECD para determinar a real carga de ruptura ainda precisa ser mais investigada.

Os sensores e demais circuitos utilizados são especificados para uma precisão de 2%. Assim, como o cálculo de resistência depende dos valores da força e da velocidade, a precisão desse cálculo será sempre melhor que 4%. Isso não quer dizer, no entanto, que a precisão do método é de 4%. Na realidade, como a faixa de variação dos valores de ruptura do solo obtidos com os diversos critérios de interpretação das provas estáticas é bem maior do que 4%, essa possível variação nos resultados do ECD se torna irrelevante. 
 

14. O ECD é aceito pela norma?

Sim. A norma NBR-6122 diz que o Ensaio de Carregamento Dinâmico pode ser usado como uma das maneiras para avaliar a capacidade de carga de uma estaca, assim como uma prova de carga estática não levada à ruptura. A norma exige a prova de carga estática apenas para determinação da  real carga de ruptura de uma estaca. Além disso, a NBR-6122 prevê a possibilidade de redução do fator de segurança de 2,0 para 1,6, em qualquer estaqueamento onde seja feito um número previamente estabelecido de ensaios, ficando a critério do projetista a quantidade e o tipo dos mesmos. No capítulo específico de estacas pré-moldadas de concreto, a norma prevê a possibilidade de utilização da estaca até a máxima capacidade estrutural estabelecida de 35 MPa, somente se for realizado um número suficiente de ensaios. Esse número é definido como pelo menos 3% do total de estacas com mesmas características em uma obra (num mínimo de 3 estacas), se forem realizados ECD, ou pelo menos 1% das estacas com mesmas características  na obra (mínimo de 1 estaca), se forem realizadas provas estáticas.

A metodologia do ECD encontra-se normalizada através da NBR-13208, de outubro de 1994.

Existem normas para ECD também em vários outros países, dentre os quais citamos:

• Austrália (AS 2159-1995)
• Alemanha (Comitê 2.1 da DGGT-recomendações para futura inclusão na norma DIN)
• China (JGJ 106-97)
• Estados Unidos (ASTM D 4945-89 e outras)
• Inglaterra (Specification for Piling - Institution of Civil Engineers - capítulo 11.1) 

 

15. O ECD substitui as provas estáticas?

Sim e não. O ECD é muito mais rápido do que as provas estáticas, e tem um custo mais baixo e praticamente independente da carga que se vai medir. Tem também a vantagem de causar pouco transtorno à obra, pois não exige a parada de equipamentos ao redor da estaca sob teste. É natural, portanto, que haja interesse em substituir as provas estáticas por ECD. No caso mais comum, se for desejado apenas confirmar se as estacas atendem aos requisitos de projeto, o ECD sozinho pode ser suficiente. Caso por algum motivo se deseje determinar a real carga de ruptura de uma estaca, será necessário efetuar uma prova de carga estática, necessariamente levada à ruptura (e não extrapolada, caso em que terá o mesmo valor que o ECD). Em solos com características incomuns ou desconhecidas, é sempre aconselhável fazer-se pelo menos uma prova estática de aferição, para verificar se a metodologia adotada para os ECD  está correta. É o caso por exemplo de solos que exibem relaxação, onde o ECD deve ser preferencialmente feito bastante tempo após a cravação das estacas, e a capacidade determinada através de um primeiro golpe de alta energia.     

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