PDI Engenharia

Ensaio de carregamento dinâmico PDA

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”.

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.

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.

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:

Tensões máximas de compressão e de tração no material da estaca durante os golpes.
Nível de flexão sofrido pela estaca durante o golpe.
Informações sobre a integridade da estaca, com localização de eventual dano, e estimativa de sua intensidade.
Energia efetivamente transferida para a estaca, permitindo estimar a eficiência do sistema de cravação.
Deslocamento máximo da estaca durante o golpe.
Velocidade de aplicação dos golpes, e estimativa de altura de queda para martelos Diesel de ação simples.
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.

Como é feito o ECD em estacas cravadas?

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

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.
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.

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.

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.

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.

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”. 

Quantos ensaios podem ser feitos por dia?

Com base em nossa experiência, elaboramos abaixo uma estimativa do número de ensaios que é usual realizar em um dia. Isso é apenas uma estimativa, já que inúmeros fatores imprevisíveis podem influir no rendimento do serviço:
-Recravação – estacas pré-moldadas, trilho ou perfil – em terra – um bate-estacas disponível: Por volta de 6 estacas por dia;
-Estaca moldada “in loco” (Franki, hélice contínua, etc.): Por volta de 6 estacas por dia;
-Acompanhamento de cravação de estacas pré-moldadas em terra: Por volta de 3 estacas por dia;
-Acompanhamento de cravação de estacas pré-moldadas em água: Por volta de 2 estacas por dia;
-Recravação – estacas pré-moldadas ou tubulares metálicas – Por volta de 3 estacas por dia;

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. 

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.  

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.

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:

1. • 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)

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.    

Ensaio de integridade PIT

O que é e como é feito o ensaio de integridade PIT ?

O PIT é um ensaio que visa principalmente determinar a variação ao longo da profundidade das características do concreto de estacas de fundação. A forma usual do ensaio consiste na colocação de um acelerômetro de alta sensibilidade no topo da estaca sob teste, e na aplicação de golpes com um martelo de mão ( foto 1). O acelerômetro é fixado por meio de um material viscoso, geralmente cera de petróleo. Os golpes geram uma onda de tensão, que trafega ao longo da estaca, e sofre reflexões ao encontrar qualquer variação nas características do material (área de seção, peso específico ou módulo de elasticidade). Essas reflexões causam variações na aceleração medida pelo sensor. É feito um registro da evolução dessa aceleração com o tempo (na realidade é mais usual converter-se a aceleração para velocidade, mediante integração do sinal). Como a onda trafega com uma velocidade fixa, conhecendo-se a velocidade de propagação da onda e o tempo transcorrido entre a aplicação do golpe e a chegada da reflexão correspondente à variação de características pode-se determinar a exata localização dessa variação.

É usual a aplicação de vários golpes seqüenciais, para que o equipamento PIT tire a média dos sinais correspondentes. Isso permite a “filtragem” de interferências randômicas, sobressaindo no sinal apenas as variações causadas pelas reflexões da onda.  

Quais os usos do PIT?

O uso mais comum do ensaio PIT é o de detectar falhas na concretagem de estacas de concreto moldadas “in loco”. No entanto, o ensaio pode também ser usado para determinar ou confirmar o comprimento de estacas de concreto.  Ver adiante considerações sobre a precisão dessas medidas. 

Como funciona o PIT?

Quando uma estaca é atingida pelo impacto de um martelo, uma onda de tensão é gerada. Esta onda se propaga ao longo do fuste com uma velocidade que é função exclusivamente das características do material da estaca. A velocidade de propagação c é dada por:

onde E é o módulo de elasticidade, g é a aceleração da gravidade e   é a densidade do material da estaca.

Para o concreto, a velocidade de onda varia conforme suas características, mas os valores usuais de velocidade de propagação de onda para pequenas deformações (como é o caso do PIT) estão entre 3700 m/s e 4300 m/s, podendo-se dizer que 4000 m/s é um valor médio.

À medida que se propaga, a onda sofre reflexões em seu trajeto. Essas reflexões podem ser provocadas por variações nas características do material da estaca, pela presença de atrito lateral ou resistência de ponta, ou pela própria ponta da estaca. Define-se como “impedância” da estaca ao termo:

   onde Z é a impedância, e A é a área de seção da estaca.

Qualquer variação de impedância ao longo da estaca provoca reflexões da onda. Estas reflexões, ao atingirem o ponto onde está instalado o sensor, provocam uma variação brusca na velocidade de deslocamento da partícula neste ponto. Um aumento de impedância causa uma queda na velocidade, e uma diminuição de impedância causa seu aumento. O final da estaca se comporta como uma grande diminuição de impedância, portanto pode ser visto como um aumento de velocidade. A figura abaixo mostra uma simulação do que acontece no caso de uma estaca que possui uma redução de impedância na metade superior de seu fuste:

A parte superior da figura mostra a evolução da velocidade com o tempo, que é o que mostra o equipamento PIT. Abaixo, em cores, está a trajetória da onda. Como pode ser visto, ao alcançar a diminuição de impedância parte da onda é refletida, e parte prossegue até a ponta, onde é novamente refletida. Na figura acima já aparece uma das dificuldades na interpretação dos sinais do PIT: ao alcançar o topo, a parcela da onda que foi refletida pela irregularidade é novamente refletida, retornando à irregularidade onde é mais uma vez refletida para retornar ao topo. Isso causa mais um aumento na velocidade, que poderia ser confundido com uma segunda irregularidade. Portanto, qualquer irregularidade ocorrendo acima da metade do fuste da estaca torna difícil a detecção de outros eventuais danos ocorrendo abaixo dessa irregularidade. Vamos analisar agora o que acontece no caso de uma estaca que possui um alargamento também a partir de algum ponto situado acima do meio da estaca.

Pode-se ver que agora a reflexão causada pela irregularidade é voltada para baixo, enquanto que as reflexões secundárias provocadas pela irregularidade são voltadas ora para cima ora para baixo. Finalmente, vamos ao caso de um estreitamento situado na metade superior da estaca:

Por analogia, pode-se concluir que caso a estaca tenha um alargamento ao invés de estreitamento, o sinal de velocidade apresentaria um pico para baixo seguido de um pico para cima. Portanto, para localização de estreitamentos, que é geralmente o que causa preocupação, deve-se buscar picos voltados para cima, seguidos (ou não) de picos voltados para baixo. Picos na ordem inversa a essa significariam alargamentos, que normalmente não preocupam. 

O PIT dá alguma informação quanto à capacidade de carga da estaca?

Não. Para determinação da capacidade de carga da estaca devem ser usados outros processos, como o Ensaio de Carregamento Dinâmico ou Prova de Carga Estática. 

É um ensaio novo?

O ensaio PIT é baseado numa teoria conhecida há muito tempo. Contudo, somente com o progresso da eletrônica e da computação foi possível começar-se a tirar proveito dessa teoria. No início, sistemas rudimentares eram usados a nível de pesquisa, consistindo de acelerômetros conectados a complicados sistemas amplificadores, cujos sinais eram visualizados em osciloscópios tipo “storage”. O sinal obtido tinha que ser fotografado para posterior análise. Com o tempo, foram construídos equipamentos específicos, dotados de recursos tais como cálculo da média de vários sinais, filtros digitais, etc. Paralelamente, foram desenvolvidos programas de computador para auxílio no diagnóstico (análise no domínio da freqüência, determinação do provável perfil da estaca, etc.). O PIT foi inicialmente usado e desenvolvido na Europa, onde era maior a demanda por ensaios de estacas escavadas. Somente no final da década de 1980 surgiu o primeiro equipamento desenvolvido pela PDI norte americana, e o ensaio começou a se popularizar naquele continente. No Brasil, o primeiro equipamento PIT foi trazido pela PDI ENGENHARIA no início da década de ’90.

O PIT pode ser feito em qualquer tipo de estaca?

Para que o ensaio PIT possa ser realizado, é necessário que a estaca tenha uma área de seção que permita a colocação do sensor, a aplicação dos golpes e a propagação da onda. Isso dificulta a aplicação deste método em estacas metálicas. Nesse tipo de estaca, mesmo que se consiga posicionar os sensores e aplicar os golpes, a pequena área de seção em relação ao comprimento implica numa rápida dissipação da onda, tornando-se difícil detectar-se a reflexão da ponta. No caso de estacas pré-moldadas de concreto, essas considerações muitas vezes também se aplicam. Além disso, esse tipo de estaca costuma ter emendas. Se o contato de dois elementos emendados for absolutamente perfeito, a onda será capaz de passar pela emenda sem sofrer qualquer reflexão. No entanto, um contato perfeito na prática é impossível. Quanto maior o percentual de superfície em contato, menor a reflexão, e melhor deverá funcionar o ensaio. Em certos casos, porém, principalmente se a emenda estiver numa região de forte atrito, a parcela da onda que passa pela emenda poderá ser pequena demais para que o equipamento seja capaz de detectar suas reflexões. Nestes casos, a estaca parecerá interrompida na emenda, quando na realidade isso não ocorre. Outra dificuldade está em estacas que apresentam várias variações de impedância ao longo do fuste. É o caso por exemplo de estacas tipo raiz. As reflexões secundárias provocadas pela primeira grande variação de área de seção que a onda encontrar podem tornar muito difícil o diagnóstico da estaca abaixo desse ponto.

Em resumo, o ensaio PIT é ideal para estacas moldadas “in loco” em geral, excetuando-se estacas raiz. Como regra geral, o ensaio tem funcionamento ótimo se a relação entre o comprimento e o diâmetro da estaca não for muito superior a 30. Se a estaca for vazada, deve-se tomar como diâmetro o de uma seção com área equivalente. Para o comprimento, pode-se deduzir trechos em água ou que atravessem regiões de solo sem atrito lateral. Isso não significa que o ensaio não possa ser feito em estacas que não atendam a esses critérios. Entretanto, nesses casos o diagnóstico poderá se limitar a um certo comprimento de estaca, ou terá que ser aceita a possibilidade do resultado não vir a ser conclusivo.

Como é o preparo das estacas para o PIT?

A parte talvez mais importante para o sucesso do ensaio PIT é o preparo da estaca. É necessário primeiramente eliminar todo o concreto de má qualidade porventura existente no topo. Em seguida é necessário criar uma superfície plana e lisa com uma lixadeira ( foto 2). O topo da estaca deverá estar perfeitamente acessível e seco ( foto 3). Caso já tenha sido lançado o concreto da base do bloco (“magro”), a estaca terá que ser isolada dessa base, mediante a quebra de uma estreita região em volta da estaca. Não tem importância se houver água ao redor da estaca, contanto que o topo da mesma esteja seco, e que seja possível o acesso do operador. De maneira alguma pode ser usada argamassa ou qualquer outro material no topo da estaca. O acelerômetro e os golpes têm que ser aplicados em material idêntico ao do restante da estaca.

Não é requisito do ensaio que as estacas tenham sido cortadas até a cota de arrasamento. Entretanto, sugere-se que sempre que possível o ensaio seja feito com as estacas já nessa situação. A principal razão para isso é que, caso seja detectado algum problema mais sério entre o topo do ensaio e a cota de arrasamento, poderá ser impossível para o ensaio determinar o estado da estaca abaixo do dano. Com isso, o ensaio terá que ser repetido para essa estaca.

Quanto tempo tem que esperar entre a concretagem da estaca e o ensaio?

O processo de cura do concreto muitas vezes não é homogêneo ao longo do fuste da estaca. Assim, se for tentado o ensaio em estaca ainda em processo de cura, poderão ocorrer variações de resistência do concreto ao longo do fuste, e essas serão detectadas pelo ensaio como possíveis danos. Por essa razão, recomenda-se esperar até que o concreto atinja pelo menos sua resistência nominal, antes de ensaiar a estaca.

O que é PIT-FV?

Uma das dificuldades originais do ensaio PIT era a de detectar danos próximos da cabeça, pois as reflexões correspondentes a esses defeitos chegam ao topo enquanto ainda perdura o pico referente ao golpe do martelo. Para compensar essa dificuldade foi idealizado o PIT-FV, que acrescenta o sinal da força aplicada pelo martelo ao sinal de velocidade tradicional. A força aplicada pelo martelo é medida através de um acelerômetro acoplado ao mesmo. O sinal desse acelerômetro é multiplicado pela massa do martelo, para obtenção da força, e o valor assim obtido é dividido pela impedância da estaca, para exibição junto com o sinal de velocidade. Para o cálculo da impedância, o equipamento usa a velocidade de onda e a área de seção do topo informada pelo operador, e assume um peso específico padrão para o concreto da estaca.

Pode-se provar que a velocidade e a força dividida pela impedância serão coincidentes, sempre que não houver reflexão da onda. No momento que chega ao topo alguma reflexão, essa coincidência (chamada “proporcionalidade” entre força e velocidade) deixará de existir. O sinal de força somente será maior que zero enquanto o martelo estiver em contato com a estaca. Esse é exatamente o período de tempo correspondente ao pulso inicial de velocidade. Portanto, se os sinais de força e velocidade forem perfeitamente coincidentes durante o tempo em que a força for maior que zero, isso significa que a estaca não possui qualquer variação de impedância ao longo do comprimento equivalente ao deslocamento da onda nesse tempo. Por outro lado, se em algum instante a velocidade for maior do que a força, isso significa que há uma diminuição de impedância. Já um sinal de velocidade menor do que o de força significa um aumento de impedância.

É possível fazer o PIT se o bloco de coroamento já está executado?

Sim, apesar de que em geral os sinais obtidos nessas condições são de mais difícil interpretação. O aconselhável nesses casos é se necessário acessar o fuste através de escavação, e fazer um “nicho” no mesmo para colocação do sensor e aplicação dos golpes. ( croquis;  foto). Os golpes podem ser aplicados no topo do bloco, com piores resultados.

Quais as vantagens e desvantagens do PIT?

O ensaio PIT tem vantagens que o tornaram muito popular:

• Execução extremamente rápida. Estando as estacas preparadas, não é incomum fazer-se mais de 50 ensaios por dia.
• É capaz de detectar danos na superfície do fuste.
• Não exige preparo durante a execução da estaca. Assim, pode ser feito em qualquer estaca da obra.
• Equipamento leve e portátil, exigindo um mínimo de recursos da obra durante os ensaios.
• Das poucas maneiras existentes para obter informações sobre a integridade das estacas, o PIT é sem dúvida a mais rápida e barata.

Em contrapartida, esse ensaio tem algumas desvantagens e limitações:

• Pouca precisão na avaliação da intensidade do dano. Isso pode fazer com que sejam detectados danos que não comprometeriam a utilização da estaca, com conseqüente perda de tempo para a obra.
• Dificuldade de detecção de segundo dano abaixo de uma grande variação de características do material da estaca.
• Difícil interpretação dos sinais obtidos em alguns casos, inclusive por influência do atrito lateral (que também provoca reflexões da onda).
• Impossibilidade de distinguir entre variação de área de seção e variação de qualidade do concreto (peso específico e/ou módulo de elasticidade).
• Limitação de comprimento da estaca (30 vezes o diâmetro equivalente).
• Dificuldade de detecção de dano muito próximo da ponta.

O ensaio PIT é normalizado?

Não existe ainda norma brasileira específica para o ensaio PIT. A NBR 6122 especifica que “No caso de estacas escavadas executadas com lama bentonítica, recomenda-se a realização de ensaios de integridade em todas as estacas da obra”. A nível internacional, citamos as seguintes normas:

• Alemanha (Recomendação da DGGT para futura inclusão na norma DIN)
• Austrália (AS2159-1995)
• China (JGJ 93-95)
• Estados Unidos (ASTM D-5882-96)
• França (Norme Française NFP 94-160-2; NFP 94-160-4)
• Inglaterra (Specification for Piling – Institution of Civil Engineers – capítulo 11.2)

Qual a precisão do ensaio PIT?

A precisão do ensaio PIT é em geral muito boa na determinação da localização do dano, principalmente se for possível ver uma clara reflexão de ponta, e se o comprimento da estaca for conhecido com exatidão. Com isso, será possível determinar a exata velocidade de propagação da onda no material da estaca. Caso essa velocidade não possa ser determinada, pode-se usar uma velocidade típica para as estacas da obra, com pequena diminuição da precisão.
Caso se deseje saber o comprimento de uma estaca, uma maneira de determinar a velocidade de propagação da onda com precisão é a de instalar um segundo acelerômetro no fuste da estaca, a uma distância conhecida do topo. Aplicando-se um golpe no topo da estaca, se for possível ver a reflexão da ponta será possível medir o tempo decorrido entre a passagem da onda pelo acelerômetro e a chegada da reflexão de ponta, tempo esse que é o que a onda leva para percorrer o comprimento total da estaca menos a distância abaixo do topo onde foi instalado o sensor. Através do sensor colocado no topo ter-se-á o tempo decorrido entre o golpe e a reflexão de ponta, para o comprimento total da estaca. Isso permite montar um sistema de duas equações com duas incógnitas (comprimento da estaca e velocidade de propagação da onda). Quanto mais distante do topo for instalado o segundo sensor, maior a precisão da medida. Existem acelerômetros especiais, dotados de um anel que permite sua fixação por parafuso no fuste da estaca.

No que tange à determinação da intensidade de eventual dano, porém, o ensaio PIT é bastante impreciso. Mesmo recursos como o programa PROFILE fornecem resultados apenas aproximados, e não funcionam em todos os casos. A interpretação do sinal do PIT não é unívoca, ou seja, existe mais de um conjunto estaca-solo capaz de gerar um determinado sinal de velocidade. Assim, deve-se sempre ter em conta que a presença de solo muito rígido firmemente agregado à estaca, ou até a presença de rocha, pode causar um falso aumento na impedância da estaca na região de um eventual dano ou falha. Por outro lado, a súbita diminuição do atrito lateral provocado pelo solo pode ser interpretada como uma redução de impedância.

O PIT é confiável?

É um tema controverso. Alguns consultores são entusiastas do método, e outros o vêm com reservas. Existem histórias de sucessos e fracassos para justificar essas duas atitudes. Acreditamos que o PIT é uma ferramenta útil, mas não pode ser visto como uma verdade absoluta. Tampouco pode exigir-se que o PIT forneça resultados sempre conclusivos e incontestáveis. Entretanto, é um ensaio muito útil para detectar falhas que de outra maneira passariam despercebidas, muitas vezes com grave risco para a estabilidade da construção.

Sobre esse assunto é interessante o que diz a norma americana: “O teste de integridade pode não identificar todas as imperfeições, mas pode ser uma ferramenta útil para identificar grandes defeitos dentro do comprimento efetivo. Também, o teste pode identificar pequenas variações de impedância que talvez não afetem a capacidade de carga da estaca. Para estacas que têm pequenas variações de impedância, o engenheiro deve usar seu julgamento quanto à aceitabilidade das mesmas, considerando outros fatores como redistribuição de carga para estacas adjacentes, transferência de carga ao solo acima do defeito, fatores de segurança aplicados e requisitos de carga estrutural.”

Acreditamos que o PIT é adequado para testar uma grande quantidade ou até mesmo todas as estacas de concreto em uma obra, aumentando indiscutivelmente a confiabilidade da fundação. Dos métodos de ensaio de integridade disponíveis, ele é o mais rápido e o que exige menor preparo prévio da estaca.

Existem outros processos para testar a integridade das estacas?

Além do PIT (as vezes chamado também de método sônico, ou “sonic echo”), são mencionados os seguintes processos que também permitem determinar a integridade de estacas de fundações:

1. Método de resposta transiente (“transient response method” ou “impulse response method”) – utiliza o mesmo equipamento que o PIT, porém interpreta os sinais no domínio da freqüência. O programa PIT-W Professional normalmente usado na interpretação dos sinais do PIT possui a possibilidade de análise no domínio da freqüência, portanto na realidade este método pode ser usado em qualquer ensaio efetuado com martelo instrumentado (PIT-FV). O método foi desenvolvido por Paquet em 1968 para permitir o controle de qualidade do grande número de estacas escavadas utilizadas na França, com a intenção de tornar o PIT mais informativo, principalmente levando em conta o perfil naturalmente irregular deste tipo de fundação. Inicialmente, o método consistia em vibrar uma massa no topo da estaca até uma freqüência da ordem de 2000 Hz e medir a resposta da estaca por meio de um geofone. Atualmente a excitação de freqüência variável é fornecida pelo golpe do martelo de mão, o qual induz uma vibração transiente com componentes de freqüência adequados para o ensaio. O método de resposta transiente é pouco empregado entre nós.
2. Ensaio “cross-hole” ou “sonic logging” – exige que a estaca seja concretada com pelo menos dois tubos metálicos ou de PVC no seu interior. Após a cura do concreto os tubos são cheios com água, e posteriormente um emissor de ultra-som é baixado através de um dos tubos, ao mesmo tempo que um receptor é baixado pelo outro tubo. A análise se baseia no fato de que o tempo entre a emissão e a recepção e a intensidade do sinal recebido dependem da qualidade do material atravessado pelo ultra-som. Este método tem algumas vantagens sobre o PIT, entre as quais: 1) sensibilidade independente do comprimento; 2) possibilidade de detecção de múltiplos danos; 3) possibilidade de detecção de danos perto da ponta; 4) insensibilidade a variações de resistência do solo. A grande desvantagem deste método é a exigência dos tubos (para estacas de maior diâmetro são exigidos três, quatro ou mais), porém pode-se citar também: 1) incapacidade de detectar danos fora do alcance dos tubos; 2) maior tempo de execução de cada ensaio; 3) maior custo. Para estacas de pequeno diâmetro é possível o ensaio usando um só tubo, o que pode ser interessante para estacas raiz. O método foi usado algumas poucas vezes no Brasil. A Pile Dynamics fabrica um equipamento de “cross-hole” denominado CHA.
3. Método sísmico paralelo (“parallel seismic”) – foi desenvolvido na França em meados dos anos ’70, objetivando principalmente a determinação da integridade de estacas em estruturas já existentes. Requer que seja escavado um furo de sondagem adjacente à estaca a ser testada, com profundidade um pouco maior do que a prevista para a mesma. Um tubo de ponta fechada é então introduzido no furo, e posteriormente cheio com água. Um sensor especial (hidrofone) é baixado até o final do tubo, e levantado em incrementos de comprimento fixos, enquanto a estrutura é golpeada o mais próximo possível da estaca. O tempo decorrido entre o golpe e o recebimento do sinal pelo hidrofone é medido para cada incremento, e a variação deste tempo com o comprimento é determinada. Esta variação será linear, a menos que a onda tenha que atravessar algum defeito, ou quando o final da estaca for alcançado. Não temos conhecimento da aplicação deste método no Brasil.
4. Ensaio de alta deformação (“high strain integrity testing”) – é na realidade um ensaio de carregamento dinâmico, executado com a finalidade de determinar a integridade da estaca. Exige a aplicação de um golpe com martelo pesado e a colocação de sensores de força e velocidade no fuste da estaca. Por utilizar martelo pesado não possui as limitações do PIT em termos de comprimento máximo, e por utilizar sinal de força é capaz de também fornecer dados quantitativos de eventuais danos.
5. Obtenção de testemunhos por meio de broca (“core drilling”) – é um tradicional método de verificação de integridade, cuja eficiência depende da verticalidade do furo e da coincidência da passagem da broca pela região do dano.

Deve-se também mencionar a prova de carga estática como um método de avaliação do comportamento da estaca submetida a carregamento real, o que também fornece informações quanto a sua integridade.

Ensaio de medidas de energia SPT

O que é SPT?

O SPT (“Standard Penetration Test”) é uma técnica de caracterização geotécnica amplamente utilizada, a qual envolve a utilização de um martelo SPT para cravar um amostrador conectado a uma série de hastes para coletar amostras do solo. O número de golpes necessários à penetração dos últimos 30 cm pelo amostrador corresponde ao resultado “N” do ensaio SPT, o qual se relaciona diretamente com a resistência de diferentes camadas do solo.

O que são as medidas de Energia SPT?

É um método para medir e avaliar a quantidade de energia transferida ao conjunto de hastes devida ao impacto do martelo durante o ensaio (sondagem de simples reconhecimento) (SPT). Esta quantidade de energia permite determinar a eficiência do equipamento utilizado para a realização do ensaio. A energia transferida pelo martelo no SPT é medida através de medições de Força e Velocidade.

Porque medir a energia transferida pelo martelo SPT?

Existem no mercado diversos tipos de martelos para a realização do ensaio SPT, com eficiências distintas, o que influencia o valor “N”. O valor “N” medido é normalizado através da sua multiplicação pela relação entre a energia transferida às hastes e 60% da energia potencial teórica. A normalização compensa a variabilidade da eficiência para os diferentes tipos de martelos e melhora a confiabilidade das estimativas de resistência do solo utilizadas em Geotecnia.O valor de N depende não só das propriedades do solo, mas também da eficiência do equipamento utilizado no ensaio SPT. A determinação da energia transferida permite avaliar variações do valor de N resultante de diferenças nos equipamentos e nos modos de operação.Existe uma relação linear aproximada entre a penetração incremental de um amostrador no solo e a quantidade de energia do martelo que é transferida para a composição de hastes de perfuração e, portanto, uma relação inversa aproximada entre o valor de N e essa energia transferida.

Como é feita a instrumentação?

O “SPT Analyzer” possui uma seção da haste de SPT (AW, NW ou outra) com cerca de 60 cm de comprimento, instrumentada com 2 conjuntos de sensores de deformação e calibrada pela Pile Dynamics USA. Uma vez em campo, 2 acelerômetros são fixados à haste. A seção instrumentada é inserida no topo da haste do equipamento SPT, entre o martelo e as hastes existentes.A haste é conectada ao Analisador SPT via cabo ou utilizando um rádio transmissor sem fio. Os sensores de deformação e os acelerômetros adquirem os sinais de força e velocidade necessários ao cálculo da energia transferida durante o curso normal do ensaio. A energia aparece na tela do “SPT Analyzer” em tempo real.

Qual a aparelhagem utilizada?

Uma haste instrumentada, conforme definido na norma NBR 16796 – Método padrão para avaliação de energia em SPT, utilizada para medir acelerações e forças normais, causadas pela propagação de uma onda de tensão causada pelo golpe do martelo. A haste instrumentada deve ter uma impedância igual a das hastes de perfuração e a sua resistência deve ser tal que os golpes de martelo não causem deformações permanentes. Caso necessário, a haste instrumentada deve ser tratada termicamente para atingir esta resistência.Na haste instrumentada são instalados um transdutor de força e um par de acelerômetros, em posições diametralmente opostas.A haste instrumentada deve ser instalada no topo da composição de hastes de perfuração, logo abaixo da cabeça de bater. Assim, a energia devida ao impacto do martelo é transmitida pela cabeça de bater e da haste instrumentada à composição de hastes de perfuração.Deve-se ter especificações do martelo, das hastes, da cabeça de bater e do amostrador, incluindo dimensões e massas. Indicar a existência de hastes curtas e as suas posições.

Qual o procedimento durante as medições?

Antes de iniciar medições de energia, observa-se uma sequência de golpes no ensaio em andamento, para verificar a existência de alguma anormalidade. Uma sequência preliminar de golpes tem por objetivo preparar o equipamento e os operadores para as condições normais de funcionamento. Alguma profundidade de solo pode ser escolhida previamente a fim de medir a energia durante a sondagem.É feito o registro do tipo de equipamento usado para perfuração, tipo de martelo, condição da corda e disposição da roldana do topo do tripé, comprimento da haste-guia, o sistema de levantamento, altura de queda e a frequência de golpes.Posteriormente, são observadas as condições de funcionamento do martelo, como oxidação, verticalidade, ou deficiência na lubrificação. Registro das dimensões da composição de hastes de perfuração, incluindo diâmetros internos e externos, comprimentos de cada haste individual e o tipo de luva utilizado.Registramos as informações do ensaio, incluindo o nome do projeto, o nome e a localização da sondagem, as elevações de referência, a profundidade do amostrador, e qualquer outra informação descritiva considerada útil.

Quais são os resultados obtidos?

Os dados obtidos pelo SPT Analyzer são salvos e transferidos a um computador. O programa PDA-W produz gráficos de Força, Velocidade, Energia e Deslocamento em função do Tempo, e o programa PDIPLOT gera relatórios numéricos, estatísticos e gráficos para cada grupo de dados.

Qual a vantagem de se medir a energia durante a sondagem SPT?

Conhecendo-se a eficiência é possível então comparar valores de N obtidos com diferentes equipamentos. Avalia a eficiência e a consistência da operação dos equipamentos usados para os ensaios SPT.

Qual a vantagem de se medir a energia durante a sondagem SPT?

• Atende à norma brasileira NBR 16796 – Método padrão para avaliação de energia em SPT
• Atende às normas da ASTM (American Society for Testing and Materials)
• Medições de energia são recomendadas para a normalização dos resultados (valores N) dos ensaios SPT (ASTM D1586)
• A normalização dos valores N baseadas em medições de energia é mandatória quando os resultados dos ensaios SPT são usados para determinar o potencial de liquefação de areias (ASTM D6066)
• O único método aceito pela ASTM para determinar energia com vistas à normalização dos valores N é através de medições de força e velocidade (ASTM D4633)
• Atende à norma Europeia EN ISO 22476-3.