Den totale autonomi – en illusjon

A resposta do sistema solo- estaca à cravação pode ser interpretada para fornecer uma previsão da sua capacidade de carga estática. A monitoração da cravação é feita por meio de um ensaio em que se aplica um carregamento dinâmico axial com o objetivo de obter uma avaliação de sua capacidade de carga, com a utilização de uma instrumentação adequada e da aplicação da teoria de equação de onda. O ensaio é normatizado pela American Society for Testing and Materials - ASTM, através da Norma D 4945/89 "Standard Method of High - Strain Dynamic Testing of Piles. A norma brasileira, NBR-6122/2010, considera este ensaio de carregamento dinâmico (NBR13208/2007) como uma das alternativas válidas para avaliação da capacidade de carga, reconhecendo-se um suficiente acúmulo de experiência no uso desta técnica; no entanto, estes métodos não devem ser utilizados isoladamente, não se

36 dispensando cálculos estáticos ou mesmo provas de carga estática. A Figura 14 apresenta um sinal típico de PDA, resultante de uma prova de carga dinâmica.

Figura 14 – Sinal típico PDA

Fonte: Fonte: Velloso e Lopes, 2002.

Basicamente, a cravação de uma estaca pode ser analisada através de dois modelos: o simplificado, do tipo representado pelo impacto de duas barras; e o segundo, mais elaborado, onde a estaca é discretizada em modelo matemático de elementos de massas e molas. Na cravação, a parte superior da estaca é comprimida e as partículas do material são aceleradas. A onda de compressão se propaga com uma velocidade, que depende do meio. Considerando-se uma determinada seção da estaca, num determinado intervalo Δt, a onda atravessa um segmento Δx da estaca, intervalo no qual a partícula situada na frente da onda, que tinha uma velocidade v = 0 (no instante t = t0,) terá sido acelerada até a velocidade v, deslocando-se Δu da sua posição inicial. Aplicando-se o equilíbrio de forças atuantes nesta seção da estaca e ainda considerando-se as leis básicas de Newton e de Hooke, é possível se chegar à expressão diferencial, conhecida como Equação da Onda:

(15)

A solução geral desta equação diferencial parcial é dada por:

(16)

Esta solução representa duas ondas de deslocamento propagando-se em sentidos opostos, ao longo do eixo da estaca com velocidade c, onde permanecem válidos os efeitos de

37 superposição. A partir desta solução, obtêm-se também as funções força F e velocidade v de partícula, as quais mantêm uma relação de proporcionalidade, através de uma constante denominada Impedância Z, do tipo:

(17)

Na instrumentação de uma estaca, os instrumentos só medem os valores totais de força ou de velocidade. Por outro lado, as ondas ascendentes é que conduzem informações dos efeitos externos e internos que provocam justamente estas reflexões. Arranjos entre expressões matemáticas permitem identificar isoladamente as amplitudes das ondas descendentes e ascendentes, através das equações abaixo:

(18)

(19)

Dependendo das condições da resistência na ponta, uma onda de compressão incidente pode-se refletir na extremidade da estaca como uma onda de compressão ou de tração, para os casos de alta resistência e baixa resistência, respectivamente. Em geral, cada onda descendente, percorrendo uma distância dx, tem sua amplitude diminuída em , onde RA(x) é um quinhão de resistência de atrito lateral na posição x, assim como cada onda ascendente tem um incremento de mesmo valor. Desta forma, a influência do solo começa a se manifestar no instante com a chegada das primeiras ondas de reflexão. Assim, a resistência à penetração (RP) é dada por:

(20) Em que t1 e t2 representam os instantes de impacto e de retorno da reflexão da ponta; Ft1 e Ft2 representam as forças nos instantes t1 e t2; e vt1 e vt2 representam as forças nos instantes t1e t2.

Esta equação mostra que as resistências, de atrito lateral e de ponta, podem ser determinadas através da medição adequada dos registros de força e velocidade total, em qualquer ponto da estaca. Usualmente mede-se a deformação específica (que permite calcular

38 a força) e a aceleração (que se integrando, obtém-se a velocidade e deslocamentos). O registro contínuo da força e velocidade num ponto da estaca junto ao topo resulta num par de curvas, onde as mesmas se apresentam em função do tempo. Se não houvesse resistência do solo, essas curvas se superporiam até certo ponto. Porém, as resistências causam ondas de compressão, deslocando-se para cima, que aumentam a força na cabeça da estaca e diminuem a velocidade.

Em 1964, um programa para realizar essas medições foi desenvolvido no atual Case Western Reserve Institute, de acordo com Goble et al.(1980); donde resultou a técnica de instrumentação mais utilizada em todo o mundo na atualidade, sobre a qual está baseado o conceito da prova de carga dinâmica, no sentido mais amplo.

Para realizar a instrumentação dinâmica, é utilizado um conjunto básico de instrumentos e equipamentos para a aquisição e tratamento de dados. Um dos esquemas mais difundidos utiliza o Pile Driving Anayzer - PDA. De qualquer forma, a instrumentação básica se constitui de transdutores de deformação específica e de acelerômetros, os quais permitem obter, respectivamente, registros de força e velocidade. Estes instrumentos são fixados aos pares numa seção da estaca, próxima do seu topo, em posições diametralmente opostas, a fim de compensar os efeitos de momento fletor.

Os sinais enviados pelos instrumentos são processados pelo PDA, que pode calcular vários parâmetros de interesse, sendo o principal a resistência à penetração da estaca no solo através do método simplificado "CASE" ou similar. Estes sistemas permitem obter ainda: força máxima do impacto; energia máxima do golpe; eficiência do sistema de cravação; verificação de dano estrutural e sua posição; valores máximos de tensão, velocidade e deslocamento; e avaliação da distribuição de resistência.

Dois métodos básicos são utilizados para estimativa das resistências dinâmicas e estáticas na cravação de estacas: o método simplificado CASE, no qual a interpretação dos resultados é feita durante a monitoração; e o método CAPWAP, onde a interpretação dos resultados é feita posteriormente, por solução completa da Equação da Onda.

39 O método CASE é aplicado à medida que os golpes são deferidos, fornecendo uma estimativa da capacidade de carga estática, em tempo real, dada pela soma do atrito lateral e resistência de ponta através da fórmula:

(21)

A resistência à penetração, RT, é considerada como sendo igual à soma de duas parcelas: uma estática, RS e outra dinâmica, RD. A resistência dinâmica é considerada proporcional à velocidade da ponta da estaca, vp, da seguinte maneira:

(22)

Em que Jc é uma constante de amortecimento, que depende do tipo de solo, entre outros fatores; E é o módulo de elasticidade e A é a área da seção transversal da estaca.

Se no instante t1 = 0 não houver ondas ascendentes provenientes de reflexões, existe a proporcionalidade entre a força e velocidade de partícula; fazendo as devidas substituições na equação 17, pode-se escrever:

(23)

A resistência estática, então, é obtida como diferença entre resistência total e a dinâmica:

(24) O método leva em conta a resistência atuando simultaneamente ao longo de toda a estaca. Para estacas longas, que apresentam uma parcela significativa da resistência proveniente do atrito lateral, este método de cálculo pode subestimar a capacidade de carga, sendo necessária uma correção.

A Figura 15 apresenta o registro típico de força e velocidade versus impedância, através do método CASE.

40 Figura 15 – Método CASE: registro típico de força e velocidade versus impedância de uma estaca.

Fonte: Velloso e Lopes, 2002.

O método Case Pile Wave Analysis Program - CAPWAP é o mais utilizado para estimativa da capacidade de carga e distribuição de resistências ao longo da profundidade, a partir dos dados de medições de força e aceleração. Em seu modelo, as forças de reação do solo são passivas e expressas como uma função apenas do movimento da estaca. A reação do solo é representada por componentes elastoplásticos e viscolineares.

Assim, o modelo do solo possui para cada ponto três incógnitas: a resistência estática limite, a deformação elástica máxima (quake) e as constantes de amortecimento (damping). A análise é iterativa, atribuindo-se valores para os parâmetros do solo e estaca, e a mesma é prosseguida até a obtenção da suficiente concordância entre as curvas calculada e medida e, nessa situação, os correspondentes parâmetros do modelo são considerados representativos.

O programa CAPWAP sofreu desenvolvimentos e atualmente se denomina CAPWAPC (modelo de solo contínuo).

A Figura 16 apresenta o ajuste de um sinal pelo método CAPWAP, no qual a linha cheia equivale ao sinal medido, e a linha tracejada equivale à solução da equação da onda.

41 Figura 16 – Sequência de ajuste de um sinal pelo método CAPWAP.

Fonte: Velloso e Lopes, 2002.

Quando da interpretação e análise dos resultados da instrumentação, surge um questionamento sobre a correspondência das provas de carga dinâmicas com as provas de carga estáticas. A literatura sobre esse ponto apresenta algumas correlações, mas existem diferenças inegáveis entre os comportamentos dinâmicos e estáticos do solo; e a estimativa das capacidades de carga e interpretação sofre influência de algumas variáveis como a energia do martelo, o tempo de repouso e as variáveis adotadas.

A energia do martelo deve mobilizar toda a resistência disponível no sistema solo- estaca, caso contrário subestima-se a resistência do solo. A resistência medida cresce com energia aplicada até se atingir um determinado limite de resistência na interação solo-estaca, por isso o ideal é aplicar golpes de martelo com energias crescentes para verificar a tendência de saturação da resistência disponível no sistema solo-estaca.

Alguns solos apresentam relaxação ou recuperação das resistências medidas durante a cravação; assim, há que se avaliar tal comportamento, através da realização de recravações, para que a estimativa da capacidade de carga reflita as solicitações estáticas a longo prazo. O tempo de repouso para essa recravação pode gerar recuperação da resistência em alguns solos e este tem sido denominado na literatura como fator de set-up.

42 Parâmetros básicos, utilizados nas formulações para o cálculo das resistências dinâmicas e estáticas, como a velocidade de propagação de onda e os coeficientes de amortecimento ("damping") devem ser estimados no campo, quando não houver experiência ou aferição anterior sobre o solo daquele local. Uma escolha inadequada pode acarretar desvios nos resultados, mas estudos revelam que uma faixa de variação da ordem de 10%, é perfeitamente plausível.

A capacidade de carga obtida através da instrumentação deve guardar uma correlação satisfatória com resultados de provas de carga estáticas e esta exige alguns cuidados, pois como a maioria das provas de carga estáticas raramente é levada à ruptura, sendo necessária a aplicação de métodos de extrapolação para a definição das cargas de ruptura. De acordo com os idealizadores da técnica de medições dinâmicas, o critério que deve ser utilizado neste caso é o de Davisson (1972) e isto se justifica pelo fato de este critério ter sido desenvolvido em conjunto com a análise de equação de onda, ajustado a provas de carga rápidas, conforme Fellenius (1980).

A técnica de monitoração de cravação foi desenvolvida para estacas cravadas, pré- moldadas de concreto ou de aço, entretanto ocorreram muitas tentativas em estender essa técnica a estacas de concreto moldadas in situ, que depois de curadas, seriam submetidas a golpes de um martelo; sendo a estaca Franki a primeira delas a se testada por este processo.