O sistema de monitoramento das estacas tipo hélice contí- nua foi apresentado e dissecado por Silva (2011) e os parâme- tros obtidos formam o banco de dados da metodologia SCCAP. Dois dos principais problemas que podem ocorrer du- rante a execução de uma estaca tipo hélice contínua são: o alívio de tensões e o risco de falhas durante a concretagem. Para minorar esses efeitos, Silva (2011) apresentou dois conceitos - o da velocidade crítica de perfuração e da velo- cidade crítica de concretagem - definidos por:
[1] Smesc=π4 (dn2-d20).(ni.λ-Vpi). Δti.βvc [2] Vmpi>Vpi,cr=ni.λ.
[
1-(
dd0 n)
2]
/βvc [3] Ve<Ve,cr=(Qc+ΔQc)/Ω [4] Ve<Ve,cr=Qc(1+Sc)/ΩOnde, Smesc = Volume corrigido de solo escavado [m3];
Vmpi = Velocidade crítica de perfuração corrigida [m/s]; = Fator de ajuste para a velocidade crítica; ∆ti= tempo de es- cavação [s]; Vpi= Velocidade de escavação [m/s]; Vpi,cr= Ve- locidade crítica de escavação [m/s]; ni= velocidade angular
[1/s]; λ= passo do helicoide [m]; d0= diâmetro do tubo de concreto [m]; dn= diâmetro do helicoide [m]; Ve= Velocida- de de extração do helicoide [m/s]; Ve,cr= Velocidade crítica para extração do helicoide [m/s]; 𝛺 = Área da projeção pla- na do trado [m2]; λ= Passo do helicoide [m]; Qc= Vazão de
concreto [m3/s]; ∆Qc= Sobreconsumo de concreto [m3/s];
Sc= proporção de sobreconsumo em relação ao consumo de concreto.
A velocidade crítica de perfuração foi definida como a velocidade limite abaixo da qual o volume de solo trans- portado para a superfície durante a escavação é maior que o volume esperado (volume eventual de empolamento do solo somado ao volume do helicoide) e é função das di- mensões do trado, da velocidade de avanço da escavação e da rotação. Ou seja, executar uma estaca com velocidade de avanço igual ou superior a velocidade crítica é garantia de não desconfinamento. Enquanto que a velocidade crítica de concretagem foi definida como a velocidade máxima de extração do helicoide na qual não ocorrerão vazios durante a concretagem e é função do volume nominal escavado, do sobreconsumo característico para cada tipo de solo e do volume de concreto disponibilizado durante a concretagem. Na Figura 1, observa-se a saída gráfica com as modificações propostas: perfil de torque durante a escavação; trabalho realizado ou energia necessária para escavar a estaca; ve- locidade crítica de perfuração (linha vermelha no gráfico de velocidade); e velocidade crítica de extração (linha azul no gráfico de velocidade de extração).
Mas, o maior problema da engenharia de fundações, em especial das estacas tipo hélice contínua, é determinar a cota de assentamento para a ponta das estacas com se- gurança. Na prática da engenharia de fundações, é comum adotar como critério de paralização para as estacas tipo hélice contínua uma profundidade mínima, condicionada a uma determinada pressão de óleo ou torque, grandezas que são correlacionáveis.
Entretanto, foi verificado por Silva (2011) que o tor- que obtido no monitoramento da estaca hélice durante a sua escavação, e a capacidade de carga da estaca hélice, é dependente do impulso. Consequentemente, a magnitude do torque está condicionada à velocidade angular e a velo- cidade de avanço impostas ao helicoide, como descrito pelo teorema do impulso-momento linear.
Pode-se exemplificar com o caso de dois maquinários com capacidades de gerar forças ou torques de diferen- tes magnitudes. No maquinário de menor capacidade, o
Figura 1 – Saída gráfica com velocidades críticas de perfuração e concretagem
percurso da força, produto da somatória das rotações do helicoide pelo seu perímetro, aplicado ao helicoide é maior. Esse fato compensa a diferença existente entre as forças aplicadas que realizam ao final da escavação tra- balhos equivalentes (produto da força pelo deslocamen- to). No exemplo, a máquina de maior potência gera um torque de grande magnitude e realiza, em menor percurso e tempo, o trabalho necessário para escavar uma estaca, quando comparada com uma máquina de menor potência, que realizará maior percurso em um tempo maior, para escavar estaca semelhante.
Para substituir o critério de torque máximo, Silva & Camapum de Carvalho (2010), Silva (2011) e Silva et al. (2012) apresentaram e validaram a Metodologia SCCAP, que é embasada na tese de que o controle das escavações mecanizadas, em particular, das estacas tipo hélice contínua, realizado por meio da determinação da energia despendida na execução da perfuração, constitui um elemento de controle tecnológico capaz de oferecer maior segurança e menor risco às obras que a utilizam. A partir desta quantificação, foram desenvolvidas rotinas e propostos critérios estatísticos para a aceitação das
estacas, baseados nas características estatísti- cas da população ou de uma amostra de energia retirada do próprio es- taqueamento, e incor- porou-se ao software de monitoramento da execução das estacas tipo hélice continua as rotinas. A metodologia possibilitou, por meio do controle da energia de- mandada, a correção de procedimentos e de pro- fundidade de cada esta- ca do estaqueamento, aumentando, por conse- quência, a confiabilidade e mitigando os riscos.
A metodologia foi validada por meio da comprovação de que a energia necessária para escavar uma estaca está relacionada à capacidade de carga da estaca, quando o processo de escavação está sistematizado, ou seja, é realizado por um mesmo con- junto máquina e operador. As forças atuantes no ma- quinário são apresentadas na Figura 2 e a metodologia SCCAP é representada pelas equações 5 e 6.
Fisicamente, a metodologia SCCAP considerou o princípio universal da conservação de energia para de- terminar a variação de energia mecânica produzida pelo sistema. Logo, partiu do princípio de que a energia do sistema apresentado é conservativa, ou seja, a energia não pode ser criada ou destruída, apenas transformada. Consequentemente, o trabalho total realizado pelas for- ças externas é a somatória do trabalho realizado pela força tangente ao helicoide, mais o trabalho realizado pela força gravitacional e o trabalho realizado pela força descendente, que é igual à energia mecânica aplicada ao helicoide. Portanto, o trabalho é uma grandeza escalar representado por:
[5]
& Construções& Construções & Construções [6] WR=
∫
mhc.g.dz zb 0 +∫
Fdi zb 0 .dz+∫
Fi.r.dθ m2π 0Onde, WR é o trabalho realizado ou a energia necessária para escavar uma estaca [J], Fi é a força aplicada no helicoide [N], mhc é a massa do sistema de escavação [kg], r é o raio da estaca hélice [m], g é a aceleração da gravidade [m/s2], z
b
é o comprimento da estaca [m], Fdi é a força descendente aplicada ao helicoide [N], m é o número de voltas do heli- coide durante a escavação.
Salienta-se que o software desenvolvido para a meto- dologia SCCAP possui rotinas auxiliares para contornar va- riantes executivas, por exemplo, foram criadas rotinas para não acumular energia quando o avanço do helicoide está com velocidade próxima de zero. Rotina que procura impe- dir, por exemplo, o acúmulo de energia quando o helicoide atinge uma camada resistente sem penetrá-la, ou quando ocorre o alívio de tensões operacionais, procedimento, mui- tas vezes, inevitável durante a execução da estaca. O alívio operacional de tensões é o procedimento de transporte de solo para superfície por meio da rotação do helicoide sem o seu avanço, sendo seu objetivo reduzir o atrito e a adesão
Figura 2 – Sistema de perfuração e forças: a) bottom drive CFA; b) sistema CFA
a b
entre o helicoide, o solo escavado e a parede do furo, com- pensando em parte as limitações do equipamento.