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Estudo da influência da armadura na velocidade de propagação da onda em testes de integridade (PIT)


RESUMO

Diante da ampla variação nas velocidades das ondas coletadas através dos testes de integridade PIT, buscamos esclarecer uma questão até então apenas intuitiva: existem diferenças significativas na propagação da onda em estacas armadas e não armadas? Para investigar, construímos três estacas de igual comprimento: uma totalmente armada, outra 60% de armadura e uma terceira com apenas esperas de 1,5m. Além disso, nosso objetivo foi estabelecer uma tabela de referência associando a resistência medida por rompimento de corpo de prova do concreto com as velocidades registradas pelo PIT logo após os testes.


INTRODUÇÃO

Com o objetivo de contribuir para o conhecimento dos nossos colegas geotécnicos, dedicamos recursos significativos, incluindo tempo e esforço, para aprimorar nossa compreensão do teste de integridade de baixa deformação (PIT).


Durante mais de três meses, envolvemo-nos desde o planejamento até o monitoramento, o que incluiu o estabelecimento de um laboratório para o rompimento de 20 corpos de prova do concreto das estacas, a preparação de um local separado para os testes, a aquisição de equipamentos de perfuração, a fabricação das armaduras, a contratação de concreto usinado, a assistência na remoção de terra e na instalação das ferragens, além do tempo de engenheiros e técnicos para o rompimento dos corpos de prova, a coleta e o tratamento dos sinais, entre outras atividades.


ENSAIOS DE INTEGRIDADE

O ensaio de integridade de baixa deformação consiste em um procedimento não destrutivo que tem como principal objetivo detectar alterações relevantes das impedâncias ao longo do comprimento das estacas de fundação.

O ensaio é executado com auxílio de um acelerômetro de alta sensibilidade instalado na superfície do topo das estacas. Após a instalação do acelerômetro com cera fixadora são aplicados golpes consecutivos com um martelo de mão, instrumentado, de 1,277 kg.




Os golpes desferidos geram ondas, conforme representado na figura 1, que se propagam por toda a extensão do comprimento (dL) da estaca de teste.

 

Quando essas ondas se deparam com alguma alteração de característica ao longo do comprimento da estaca ocorrem reflexões, que são o foco de estudo deste ensaio.

 

Com base na teoria da propagação da onda de tensão (Liang e Rausche, 2011), são analisadas, com auxílio de sensores, as reflexões de onda, que ocorrem a partir das mudanças de características. Estas reflexões de onda são denominadas impedâncias.

 

Dos golpes aplicados selecionam-se aqueles considerados os mais representativos através do equipamento “PIT Collector” da fabricante Pile Dynamics Inc. - (PDI).

 

O ensaio é repetido, por pelo menos três vezes, deslocando-se o acelerômetro em diferentes posições. Em alguns casos o ensaio é repetido diversas vezes visando eliminar possíveis interferências randômicas. Os sinais são transferidos a um computador para o seu devido processamento e armazenamento.

 

Sobre as limitações do ensaio, vale a literalidade do parágrafo 6 (Procedimentos), item 6.6 (Análise das Medições), subitem 6.6.6, da norma americana ASTM-D 5882-07:

 

“ 6.6.6 Integrity testing may not identify all imperfections, but

it can be a useful tool in identifying major defects within the

effective length. Also, the test may identify minor impedance

variations that may not affect the intended use of the pile. For

piles having minor impedance variations, the engineer should

use judgement as to the acceptability of these piles considering

other factors such as load redistribution to adjacent piles, load

transfer to the soil above the defect, applied safety factors, and

structural load requirements.”


NORMAS TÉCNICAS

Não existe documento estabelecido por consenso e aprovado pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) que especifica testes de integridade para as estacas de fundação. A GEOTESTE utiliza a norma da “Internacional: Standard Test Method for Low Strain Impact Integrity of Deep Foundations”: (ASTM - D5882 -07). No Brasil a ABNT NBR 6122-10 especifica a necessidade da execução de testes de integridade, para estacas escavadas com lama betonítica, em todas as estacas da obra.


TESTES DE INTEGRIDADE


Descrição do Ensaio:

Com o auxílio de um martelo (com aproximadamente 1,277 kg) uma onda características do material da estaca. A velocidade de propagação (c) é dada por:

Onde:

E=Módulo de elasticidade

γ = Densidade do material da estaca

g = Gravidade


A velocidade para o concreto sofre variações, que podem ocorrer por diversos motivos tais como: cura e variação no traço. Apesar dessas variações os valores usuais de velocidade de propagação de onda para pequenas deformações (como é o caso do PIT) estão entre 3000 m/s e 4000 m/s.

 

Durante a propagação da onda, naturalmente haverá obstáculos. Esses obstáculos provocam reflexões. Essas reflexões podem ser provocadas por variação na característica do material, por presença de atrito lateral, resistência de ponta, variação relevante na área da estaca ou até mesmo pela ponta da estaca.

 

Essas oscilações são chamadas de impedância (Z), que é dada pela

seguinte equação:

Onde:

E=Módulo de elasticidade

γ = Densidade do material da estaca

g = Gravidade

c = Velocidade de propagação da onda


A partir das diversas variações de impedância, ocorrem reflexões de onda. As reflexões, retornam ao ponto onde está instalado o sensor, provocando uma variação brusca na velocidade de deslocamento da partícula neste ponto. O aumento de impedância é inversamente proporcional a velocidade. O final da estaca representa uma grande diminuição da área, ocasionando um grande aumento de velocidade. A ilustração a seguir, exemplifica o que acontece no caso de uma estaca possuir uma redução de impedância na metade superior de seu fuste. O gráfico mostra a relação de velocidade/tempo para o caso supracitado.


De forma análoga é possível que haja um alargamento relevante, causando um aumento de impedância. Nesse caso, por consequência haveria uma diminuição de velocidade.


Outra possibilidade relevante é a diminuição da seção seguida de um alargamento. Nesse caso, a complexidade da leitura é maior, uma vez que além de ocorrer a repetição do primeiro evento, ocorre a repetição do segundo, tornando a análise muitas vezes inconclusiva.

 

Por analogia, podemos concluir que para a localização de estreitamentos, que são geralmente motivo para preocupação, deve-se procurar picos voltados para cima, seguidos (ou não) de picos voltados para baixo. Picos voltados para baixo geralmente representam alargamentos, que normalmente não preocupam.

Com relação a ponta da estaca temos prioritariamente duas situações. Na primeira delas, conforme representação na figura 4. A estaca apresenta apenas dissipação importante da seção até o fim da estaca por completo.

Na segunda situação representada na figura 5, a reflexão de ponta apresentada pelo gráfico ocorre para o lado oposto, o que sugere um alargamento, engaste ou suporte de ponta relevante.


PROCEDIMENTOS


Neste experimento, executamos a construção de três estacas escavadas com diâmetro de 40cm e concretadas com um concreto de resistência de 30Mpa (350kg de cimento por metro cúbico), o mesmo utilizado em estacas hélice contínua, sendo este padrão na construção de fundações.

 

Cada estaca foi escavada até uma profundidade de 10 metros e teve 30cm de discos de isopor instalados na ponta.

 

Antes da concretagem, uma estaca, denominada TA, recebeu uma armadura integral. Outra estaca, chamada TB, teve uma armadura de 5,7 metros e um macaco para a execução de ensaio bidirecional. A terceira estaca, denominada TNA, teve apenas esperas com 1,5m. Essas esperas foram colocadas para facilitar a conexão com o bloco a ser confeccionado para a realização do teste de carga estático.

 

Durante o processo de concretagem, foram coletadas 20 amostras do concreto para a realização do ensaio de rompimento de corpos de prova, permitindo o acompanhamento da evolução da resistência do material. Essas amostras, com diâmetro de 10cm e altura de 20cm, foram armazenadas em uma caixa d'água contendo água e cal, conforme recomendação da norma específica.

 

A evolução da resistência está apresentada nos gráficos a seguir.


Tabela resumida Geoteste:

CONCLUSÕES


  1. Estacas armadas apresentam uma maior velocidade de onda.

  2. A presença de armadura a 9,7m ou 5,7m não afeta a velocidade da onda.

  3. A diferença na velocidade da onda é mais significativa nos estágios iniciais.

  4. Após o 15º dia, o aumento da velocidade da onda é mínimo.

  5. A velocidade da onda estabiliza em torno de 3582m/s para estacas não armadas e mostra um leve crescimento para estacas armadas, atingindo 4026m/s e estabilizando em 4072m/s a partir de 27Mpa de resistência.

  6. Entre 11MPa e 13MPa, houve um aumento significativo na velocidade da onda para estacas não armadas (de 2750m/s para 3380m/s).

  7. O teste de integridade é eficaz, e a referência de 4000m/s é válida após duas semanas de cura do concreto.


REFERÊNCIAS


  • ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). NBR 6122 (2010): Projeto e Execução de Fundações. Rio de Janeiro.

  • ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). NBR 13208 (2007): Estacas – Ensaio de carregamento dinâmico. 2ª edição. Rio de Janeiro.

  • Engenharia.PDI. - Ensaio de Integridade PIT - "Pile Dynamics, Inc." (PDI): Cleveland, Ohio, EUA.

  • Liang, L., Rausche, F. | October 2011 - Quality Assessment Procedure and Classifications of Cast-In-Place Shaft using Low Strain Dynamic Test - Proceedings from Deep Foundations Institute 36th Annual Conference on Deep Foundations: Boston, MA; 553-562.

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