1. Introdução

Este documento tem por objetivo orientar a execução dos ensaios de carregamento dinâmico (PDA) em estacas escavadas para controle e garantia da qualidade de fundações de obras civis.

2. O ensaio de carregamento dinâmico

Também chamado de ensaio dinâmico ou prova de carga dinâmica (PDA), 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 abaixo do topo da estaca, a uma distância, pelo menos duas vezes o diâmetro desta.

Os sinais dos sensores, aceleração e deslocamento, durante o evento (propagação da onda de tensão gerada pelo golpe), são armazenados e processados no equipamento PDA.

O PDA é baseado na teoria da onda (Smith - 1960). Posteriormente, Goble desenvolveu pesquisas que levaram aos equipamentos (PDA) e métodos de ensaio atuais.

Quando uma estaca é atingida por um golpe, é gerada uma onda de tensão que trafega na estaca com velocidade dependente das características do material.

3. Preparo das estacas para execução dos ensaios

Em estacas escavadas, o ideal é que se espere o concreto atingir, pelo menos, 75% de sua resistência nominal para início do preparo de suas cabeças para realização dos ensaios.

Para concretos comuns, a sete dias da concretagem das estacas já é possível iniciar os trabalhos de escavação e arrasamento. Para concretos de alta resistência inicial, as estacas poderão ser arrasadas a três dias de sua concretagem.

O preparo propriamente dito inicia-se pelo arrasamento. Este visa eliminar todo o concreto de má qualidade existente no topo da estaca. É importante que esse procedimento siga os devidos cuidados para que não sejam geradas trincas durante o processo, como aquelas geradas pela aplicação de golpes de ponteira apontada na direção vertical ou aquelas geradas pelo uso indiscriminado de martelete.

Após o preparo da cabeça, com a eliminação do concreto inadequado, exposição da armadura e acerto da superfície, montam-se as formas e coloca-se a armação, especialmente preparada para receber o golpe.

A armação e a concretagem contam com fretagem e concreto de alta resistência, especialmente dimensionados para esta região, a qual fica sujeita às maiores tensões pela aplicação do golpe.

Eventualmente a estaca pode ser preparada, durante sua concretagem (ou a posteriori), pelo reforço da cabeça da estaca com a colocação de um anel metálico, visando eliminar a fretagem.
Este anel deve ser devidamente aprumado e centralizado no furo recém concretado ou, no caso de concretagem a posteriori, utilizado como reforço/forma. Cuidados especiais devem ser tomados para que não surjam “bicheiras” na base do anel.

O topo do preparo da cabeça deve estar horizontalizado e alisado de forma a garantir a perfeita aplicação do golpe.

Após a cura do concreto a forma do reforço da cabeça é removida, no caso do anel, este não é removido.

A região no entorno da estaca é escavada até cerca de 1,5 diâmetros abaixo da base do reforço, ou no mínimo 1,3 m, para que trecho de concreto original da estaca seja exposto para colocação da instrumentação.

Deve existir largura livre de pelo menos 80cm, no entorno da estaca, de forma a permitir o trabalho com equipamentos de mão do tipo lixadeira, esmerilhadeira ou furadeira.

4. Equipamento para aplicação do golpe

O equipamento gerador da força de impacto pode ser um bate-estaca ou similar, desde que seja capaz de provocar um deslocamento permanente ou mobilize a resistência das camadas de solo atravessadas pela estaca até, no mínimo, os limites do ensaio especificados.

Normalmente, martelos com peso igual a ~3,0% da carga admissível da estaca a ser verificada são suficientes.

O equipamento deverá contar com sistema de amortecimento similar ao de cravação de estacas.

Também será necessário que o equipamento seja capaz de aplicar golpes com alturas variadas, bem como aplicar tais golpes de forma eficiente e não excêntrica.

5. Instrumentação

A instrumentação é feita através da fixação de um par de transdutores de deformação específica e de um par de acelerômetros, fixados em posições opostas em relação ao eixo de simetria da estaca, de modo a detectar e compensar os efeitos de flexão na estaca, que eventualmente ocorrem quando da aplicação dos golpes do martelo.

Os sensores são instalados antes do início da cravação das estacas, aparafusados em chumbadores de expansão colocados no concreto das estacas.

A área onde será instalada a instrumentação deverá estar lisa e plana de forma a permitir a perfeita fixação dos instrumentos. Para tanto, em estacas escavadas, é necessário lixar duas áreas diametralmente opostas a aproximadamente dois diâmetros do topo da estaca.

Os sinais dos sensores são condicionados, analisados e armazenados em um Analisador de Cravação de Estacas (PDA), modelo PAL. Os dados obtidos são transferidos para arquivo em computador, para as análises posteriores.

6. Ensaio e coleta de dados

O ensaio é realizado aplicando-se golpes sucessivos com alturas variadas, normalmente crescentes.

Apesar de, em alguns casos, ser importante iniciar o ensaio aplicando-se um golpe de energia relativamente alta, é importante que tal golpe não seja danoso à estaca. Ou seja, é fundamental monitorar os golpes, de forma a aplicá-los corretamente, sem gerar esforços que causem danos a estacas íntegras.

A coleta de dados é feita “on line” através do equipamento PDA.

Automaticamente um primeiro processamento é efetuado. Desse primeiro processamento podem ser obtidas informações preliminares importantes: tensões geradas, a energia aplicada, a capacidade de carga mobilizada pelo método expedito CASE (através dos dados preliminares adotados), máxima deformação no golpe, etc.

Além disso, são coletados os dados de projeto e executivos da obra, tais como:

Gerais – identificação, locação, fornecedor/empreiteiro, sondagens próximas, planta de locação de sondagens e projeto de fundação;
Equipamento de cravação – peso do martelo, altura de queda, energia, tipo de cepo e coxim, capacete, outras observações (prolongador, pré-furo);
Estaca – identificação, carga de trabalho, tipo, especificações, geometria, reforço, resultados de outros ensaios (concreto, etc.);
Execução – data de cravação ou execução, volumes, pressões, condições de operação, tipo e disposição de emendas, etc.
Ensaio dinâmico - descrição do equipamento e calibração, data, identificação, módulos de elasticidade, densidade e velocidade de propagação de onda e modos de determinação, comprimentos (executados, cravados e de instalação da instrumentação), resistência à penetração, valores de compressão/tração gerados, energia, métodos utilizado (CASE/CAPWAP), parâmetros, comentários sobre a integridade, sinais com representação gráfica.

7. Análises posteriores

Posteriormente, os dados são re-analisados, inclusive a luz de um melhor entendimento dos dados obtidos na obra.

Para tais análises a principal ferramenta é o programa CAPWAP®, que serve como parâmetro para um cálculo mais preciso e para aferição das análises através do método CASE.

ANÁLISE CAPWAP®

Normalmente um golpe (preferencialmente o de maior carga mobilizada) de uma estaca, a cada grupo de seis, é analisada pelo programa CAPWAP®. Esse tipo de análise é um processo iterativo que envolve os sinais de força e velocidade medidos em campo, estimativas das resistências estáticas do solo e parâmetros dinâmicos da estaca e do terreno.

Ao final da análise CAPWAP® são obtidos e fornecidos os seguintes dados:

Capacidade de carga mobilizada para o fuste e ponta;
Dados relativos ao modelo utilizado do solo: tabela com valores de resistência, "quakes" e "dampings" para cada um dos elementos de solo ao longo do fuste e ponta, bem como os valores totais e resistências unitárias; parâmetros de descarregamento e outros elementos utilizados para modelar o comportamento do solo.
Tabela de valores máximos de forças, tensões, energias, velocidades e deslocamentos, ao longo da estaca, durante o golpe analisado.
Modelo utilizado para a estaca.
Resultados calculados pelo método CASE para diversos fatores de amortecimento "J".
Curvas de força e velocidade medidas.
Diagrama de atrito lateral e diagrama de esforços normais ao longo do fuste da estaca. Permitindo inferir as parcelas absorvidas pelo fuste e ponta diferenciadamente (transferência de carga), o que pode permitir uma estimativa da capacidade de carga a tração.
Gráfico comparando a força medida com a força calculada, sendo dados de entrada a velocidade medida e os modelos anteriormente descritos do solo e da estaca, o que mostra a adequação desses modelos utilizados, através da boa coincidência entre as curvas medidas e calculadas.
Gráfico de uma prova de carga estática a compressão, simulada pelo CAPWAP®. Esta simulação utiliza o modelo do solo e da estaca anteriormente descritos, variando o carregamento estático no topo da estaca.
Gráficos mostrando a evolução ao longo do fuste, durante o golpe analisado, dos valores máximos da força e tensão de compressão, da energia transferida, da tensão de tração, bem como da velocidade e do valor do deslocamento das partículas.
Tabela de cargas e recalques, do topo e da ponta da estaca, na prova de carga estática simulada.

8. Normas para o ensaio PDA

A norma brasileira para o ensaio de carregamento dinâmico (PDA) é a NBR 13208.

A NBR 6122, de fundações, especifica a execução do ensaio para 3% das estacas representativas da obra.

As normas internacionais existentes são:

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