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MEDIDAS DE ENERGIA NO ENSAIO SPT

EDGAR ODEBRECHT

Porto Alegre

Novembro, 2003

EDGAR ODEBRECHT


Tese apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos para obteno do ttulo de Doutor em Engenharia

Porto Alegre

Novembro, 2003

EDGAR ODEBRECHT

O23m Odebrecht, Edgar

Medidas de energia no ensaio do SPT / Edgar Odebrecht; orientador, Fernando Schnaid, Marcelo Maia Rocha; co-orientador, George de Paula Bernardes. Porto Alegre, 2003.

Tese de Doutorado. Universidade Federal do Rio

Grande do Sul. Escola de Engenharia. Programa de Ps-Graduao em Engenharia Civil.

1. Geotcnia Ensaios. 2. Fundaes Ensaios I.

Schnaid, Fernando, orient. II. Rocha, Marcelo Maia, orient. Bernardes, George de Paula, co-orient. III. Ttulo.

CDU-624.1


Esta tese de doutorado foi julgada adequada para a obteno do ttulo de DOUTOR EM

ENGENHARIA e aprovada em sua forma final pelo professor orientador e pelo Programa de

Ps-graduao em Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

Porto Alegre, 28 de novembro de 2003.

Prof. Fernando Schnaid Ph.D. Oxford University, UK

Orientador

Prof. Marcelo Maia Rocha Dr. Tecn. Universitt Innsbruck

Orientador Prof. George de Paula Bernardes

Dr. Norwegian Institute of Tecnology, NOR Co-orientador

Prof. Amrico Campos Filho Coordenado do PPGEC/UFRGS

BANCA EXAMINADORA

Prof. Nelson Aoki (USP) D.Sc. Escola de Eng. de So Carlos

USP, BR

Prof. Fernando Artur B. Danziger (COPPE)

D.Sc. Universidade Federal do Rio de Janeiro COPPE / UFRJ, BR

Prof. Jarbas Milititsky (UFRGS) Ph.D. University of Surrey, UK

A Constanza, Carolina e a memria de

Juliana, esposa e filhas.

AGRADECIMENTOS

Ao Professor Fernando Schnaid por sua firme orientao, dedicao e ateno indispensveis

para a elaborao deste trabalho.

Ao Professor Marcelo Maia Rocha pela orientao e indiscutvel dedicao sem a qual este

trabalho no teria alcanado sues objetivos.

Ao Professor George de Paula Bernardes que sempre esteve presente nos momentos de

incertezas ocorridos ao longo do trabalho.

Ao colega Edson Fajardo Nunes da Silva que sempre apoiou o desenvolvimento do trabalho e

em muito colaborou nas dvidas e discusses ocorridas ao longo do desenvolvimento.

Ao Professor Antnio Belincanta pela sua colaborao no desenvolvimento deste trabalho e

pelo sei incentivo.

Universidade Federal do Rio Grande do Sul, ao Programa de Ps-graduao, aos docentes e

em especial ao Porfessor Gasto que sempre apoiou o trabalho, no podendo esquecer das

funcionrias Liliani, Carmem, Rita, Bernadete, Eldia, Raquel e Elea que me acolheram com

muito carinho.

Universidade do Estado de Santa Catarina, em especial ao Professor Anselmo Fbio de

Mores que sempre esteve ao meu lado dando suporte s necessidades para a realizao do

trabalho.

CAPES pelo auxlio proporcionado com a bolsa de estudos que possibilitou minha total

dedicao aos estudos.

Ao CNPq pelos recursos fornecidos para viabilizar a compra de equipamentos obtidos atravs

de um projeto de pesquisa.

Georforma Engenharia Ltda que no poupou esforos e recursos para viabilizar a execuo

dos ensaios e desenvolvimento de equipamentos.

Aos colegas de Ps-graduao da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, em especial

Fernando Maria Mntaras, entre outros.

minha me e a memria do meu pai dos quais aprendi o compromisso de lutar por aquilo

que cremos e a minha irm que sempre juntos estiveram.

A todos que de alguma forma participaram na realizao deste trabalho.

RESUMO

ODEBRECHT, E. Medidas de Energia no Ensaio do SPT. (Doutorado em Engenharia)

Programa de Ps-Graduao em Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do

Sul, Porto Alegre.

O presente trabalho apresenta um estudo detalhado da monitorao de energia durante a

cravao do amostrador no ensaio SPT, bem como da identificao dos fatores que

influenciam estas medidas. Para tanto foi desenvolvido um equipamento para a aquisio dos

sinais de fora e de acelerao que consta de uma clula de carga, amplificadores e

condicionadores de sinais de fora e acelerao, sistema de aquisio de sinal e tratamento

numrico dos registros. Paralelamente foi implementado um programa embasado na tcnica

de diferenas finitas que simula numericamente o ensaio, inclusive o balano das distintas

energias ao longo do processo. De posse dessas ferramentas e tecnologia efetuou-se uma

extensa campanha de ensaios totalmente controlados. Os resultados da campanha

experimental, associados aos fundamentados e princpios bsicos da fsica, permitiram o

entendimento do processo de cravao do amostrador no solo com a determinao das perdas

(eficincias) ocorridas ao longo do processo e a proposio de uma nova abordagem de

interpretao fundamentada no trabalho efetivamente consumido na cravao do amostrador

no solo. O conhecimento deste trabalho abre uma gama de alternativas para a estimativa de

propriedades de comportamento de solos com base em resultados de medidas de SPT.

Exemplos da aplicao destas alternativas so apresentados.

Ao longo do trabalho verificou-se que: O intervalo de integrao utilizado na apropriao da

energia deve ser tal que leva em considerao os golpes subseqentes mesmo em se tratando

de hastes longas; A energia assim determinada dependente da resistncia do solo; Existem

perdas de energia ao longo das hastes; Estas perdas so diretamente proporcionais ao

comprimento das hastes; O ensaio um fenmeno de grandes deslocamentos e, portanto, deve

ser interpretado com a adoo de um referencial fixo e fora do sistema; A variao da energia

potencial das hastes deve ser considerada no computo da energia consumida na cravao do

amostrador no solo e esta variao da energia diretamente proporcional massa das hastes.

Palavras-chaves: geotecnia, fundaes, investigao geotcnica, sondagem.

ABSTRACT

ODEBRECHT, E. Medidas de Energia no Ensaio do SPT. (Doutorado em Engenharia)

Programa de Ps-Graduao em Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do

Sul, Porto Alegre.



influenciam estas medidas. Para tanto foi desenvolvido um equipamento para a aquisio dos

sinais de fora e de acelerao objetivando a correta determinao da energia efetivamente

transferida s hastes. Este equipamento consta do desenvolvimento da clula de carga,

amplificadores e condicionadores de sinais de fora e acelerao, sistema de aquisio de

sinal e tratamento numrico dos registros. a primeira experincia brasileira de

desenvolvimento de tecnologia nesta rea, combinando aquisio de sinais de fora e

acelerao com interpretao de registros atravs de software aberto. Assim o estudo

compreende o desenvolvimento de um programa embasado na tcnica de diferenas finitas

que simula numericamente o ensaio, inclusive a mecnica de transferncia de energia s

hastes. De posse dessas ferramentas e tecnologia efetuou-se uma extensa campanha de ensaios

totalmente controlados em cmara de calibrao. Os resultados da campanha experimental,

associados aos fundamentados e princpios bsicos da fsica e dinmica, permitiram uma

anlise racional do ensaio e a proposio de uma nova abordagem de interpretao. Os valores

das eficincias inerentes ao ensaio nesta nova abordagem so determinados e apresentados.

Esta nova abordagem de interpretao do ensaio no visa somente determinao da energia

contida na onda que percorre a haste gerada pela ao do golpe, mas a determinao da

energia efetivamente entregue ao solo e com isso o conhecimento do valor da fora resultante

de reao do solo que atua contra o amostrador. O conhecimento desta fora abre uma gama

de alternativas para a estimativa de propriedades de comportamento de solos com base em

resultados de medidas de SPT. Exemplos da aplicao prtica da engenharia so

apresentados.

Key-words: geotecnia, foundations, site investigation, in-situ testing.

SUMRIO LISTA DE FIGURAS .................................................................................. p.14

LISTA DE TABELAS ................................................................................. p.19

LISTA DE FOTOS ..................................................................................... p.20

LISTA DE SMBOLOS ............................................................................... p.21

1 INTRODUO .................................................................................... p.25

1.1 - DEFINIES ...................................................................................... p.27

1.1.1 Golpe, Impacto e Pulso .................................................................... p.27

1.1.2 Ondas de Compresso Incidentes .................................................... p.27

1.2 ORGANIZAO DA TESE .............................................................. p.29

2 REVISO BIBLIOGRFICA ........................................................... p.30

2.1 INTRODUO .................................................................................. p.30

2.1.1 - Histria do SPT ................................................................................ p.30

2.1.2 - Histria do SPT no Brasil ................................................................. p.34

2.1.3 - Histria da Padronizao .................................................................. p.36

2.2 - EQUIPAMENTOS .............................................................................. p.38

2.2.1 - Tipos de martelos ............................................................................ p.38

2.2.2 - Sistemas de elevao do martelo ...................................................... p.39

2.2.3 - Tipos de Hastes ................................................................................. p.42

2.2.4 - Tipos de Amostradores ..................................................................... p.43

2.2.5 - Sistemas de liberao do Martelo ..................................................... p.43

2.3 PADRONIZAO ............................................................................. p.44

2.3.1 Equipamentos e Mtodos de Perfurao .......................................... p.44

2.3.2 Procedimento do Ensaio .................................................................. p.47

2.3.3 Apresentao dos Resultados ........................................................... p.48

2.4 MEDIDAS DE ENERGIA ................................................................. p.51

2.4.1 Introduo ........................................................................................ p.51

2.4.2 - Instrumentao para determinar a energia cintica do martelo, no

instante do impacto ......................................................................................

p.53

2.4.2.1- Instrumentao utilizada por Kovacs ................................................................. p.53

2.4.2.2 - Filmadora de alta velocidade ............................................................................. p.53

2.4.2.3 Sistema utilizado por Matsumoto et al (1992) .................................................. p.53

2.4.2.4 Sistema utilizado pela PDI ............................................................................... p.54

2.4.3 - Instrumentao utilizada para a determinao da energia na haste .. p.55

2.4.3.1 - Instrumentao utilizada por Kovacs ............................................................... p.55

2.4.3.2 - Instrumentao utilizada por Schmertmann e Placios ...................................... p.56

2.4.3.3 - Instrumentao utilizada pela Binary instuments .......................................... p.57

2.4.3.4 - Instrumentao utilizada no IPT ...................................................................... p.57

2.4.3.4.1 - Instrumentao utilizada antes de 1982 ......................................................... p.57

2.4.3.4.2 - Instrumentao utilizada posterior a 1982 .................................................... p.58

2.4.3.4.3 - Instrumentao utilizada posterior a 1982 com instrumentao importada

e de fabricao no IPT ................................................................................... p.60

2.4.3.4.4 - Sistema Porttil desenvolvido no IPT ............................................................ p.60

2.4.3.5 - Instrumentao utilizada pela universidade Estadual Paulista Ilha solteira ... p.62

2.4.3.6 Sistema utilizado por Matsumoto et al. (1992) ................................................ p.63

2.4.3.7 Instrumentao utilizada por Cavalcante (2002) e comercializado pela PDI . p.64

2.4.4 Comentrios finais ........................................................................... p.65

3 TEORIA DA ONDA UNIDIMENSIONAL ....................................... p.66

3.1 INTRODUO .................................................................................. p.66

3.2 - DEDUO DA EQUAO DA ONDA ........................................... p.66

3.3 - INFLUNCIAS DAS CONDIES DE CONTORNO .................... p.72

3.3.1 Extremidade da haste ....................................................................... p.72

3.3.1.1 Extremidade da Haste Livre ............................................................................. p.73

3.3.1.2 Extremidade da Haste Engastada ..................................................................... p.73

3.3.1.3 - Haste com Extremidade Semi-Engastada ......................................................... p.75

3.3.2 - Atrito lateral na Haste ...................................................................... p.75

3.3.2 Mudana de Impedncia na Haste ................................................... p.77

3.4 - IMPACTO DO MARTELO SOBRE O CONJUNTO DE HASTES .. p.80

3.4.1 Impacto do Martelo Rgido Sobre o Conjunto de Haste .................. p.80

3.4.2 Impacto do Martelo Elstico Sobre o Conjunto de Haste ................ p.82

3.4.3 Impacto do Martelo Rgido com Coxim Elstico Sobre o Conjunto

de Haste ...........................................................................................

p.91

3.4.3.1 Coxim Macio em que 2 > 2 e k < 4Zh2/Mp .................................................... p.92 3.4.3.2 Coxim Macio em que 2 < 2 e k > 4Zh2/Mp .................................................... p.94 3.5 - ENERGIA DE UMA ONDA LONGITUDINAL DE

COMPRESSO ................................................................................... p.96 3.5.1 - Determinao de K1 .......................................................................... p.100

3.5.1.1 - Coeficiente de Correo K1 conforme a Referncia Internacional do SPT ...... p.100

3.5.1.2 - Coeficiente de Correo K1 conforme Schmertmann e Palacios (1979) .......... p.101

3.5.2 Determinao de K2 ......................................................................... p.104

3.5.2.1 - Coeficiente de Correo K2 conforme a Referncia Internacional do SPT ...... p.104

3.5.2.2 - Coeficiente de Correo K2 conforme Schmertmann e Palacios (1979) .......... p.105

3.5.3 - Determinao de Kc .......................................................................... p.105

3.6 PENETRAO DO AMOSTRADOR NO SOLO ............................ p.106

4 DESENVOLVIMENTO DE EQUIPAMENTO ................................ p.108

4.1 INTRODUO .................................................................................. p.108

4.2 CLULA DE CARGA ....................................................................... p.108

4.2.1 Material da Clula de carga ............................................................. p.109

4.3 EXTENSMETROS .......................................................................... p.111

4.4 ACELERMETROS .......................................................................... p.111

4.4.1 Fixao dos Acelermetros .............................................................. p.111

4.5 CIRCUITO ELTRICO UTILIZADO NA CLULA DE CARGA .. p.113

4.6 AMPLIFICADOR E CONDICIONADOR DE SINAL ..................... p.114

4.6.1 Da Clula de Carga ........................................................................... p.114

4.6.2 Dos Acelermetros ........................................................................... p.115

4.7 PLACA CONVERSORA ANALGICA DIGITAL ......................... p.116

4.8 OSCILOSCPIO ................................................................................ p.117

4.9 PROGRAMA DE AQUISIO DE SINAL ..................................... p.118

4.10 CALIBRAO DA CLULA DE CARGA E DOS

ACELERMETROS ........................................................................

p.120

4.11 TRATAMENTO DOS SINAIS ........................................................ p.120

5 IMPLEMENTAO NUMRICA ................................................... p.125

5.1 DESENVOLVIMENTO TERICO .................................................. p.125

5.2 DISCRETIZAO ............................................................................ p.126

5.3 MODELO CONSTITUTIVO DO SEGMENTO DAS HASTES ...... p.129

5.4 CONDIO DE CONTORNO NO CONTATO DO CHOQUE

ENTRE O MARTELO E A HASTE ..................................................

p.129

5.5 MODELO DE SMITH ....................................................................... p.130

5.6 CONTROLE DE ENERGIA NO MTODO DE INTEGRAO

EXPLICITA ........................................................................................

p.130

6 ANLISE TERICA .......................................................................... p.134

6.1 INTRODUO .................................................................................. p.134

6.2 ENERGIA POTENCIAL GRAVITACIONAL DO SISTEMA ........ p.136

6.2.1 Energia Contida no Martelo e na Haste ao longo do tempo devido

aplicao de um golpe ...................................................................

p.142

6.3 TRABALHO EXERCIDO SOBRE O SOLO .................................... p.146

6.4 ANLISES COMPLEMENTARES .................................................. p.148

6.4.1 Influncia da Variao da Seo da Haste no Valor da Energia

Entregue ao Solo ..............................................................................

p.148

6.4.2 Anlise da Rigidez do Martelo ........................................................ p.149

6.5 ANLISE DA EQUAO DE ENERGIA ....................................... p.150

6.5.1 Anlise da velocidade da partcula .................................................. p.151

6.5.2 Anlise do valor da energia obtido com o auxlio da

instrumentao ................................................................................

p.153

6.5.3 Correo do valor da energia quando a leitura inicial da clula de

carga foi zerada ................................................................................

p.158

6.6 COMENTRIOS FINAIS .................................................................. p.159

7 ANLISE EXPERIMENTAL ............................................................ p.161

7.1 INTRODUO .................................................................................. P.161

7.2 METODOLOGIA ............................................................................... p.161

7.2.1 Montagem do Equipamento ............................................................. p.161

7.2.2 Equipamento .................................................................................... p.162

7.2.3 Solo .................................................................................................. p.165

7.2.4 Ensaios ............................................................................................. p.166

7.3- Resultados ............................................................................................. p.169

7.3.1 Sinais de Fora e Velocidade ........................................................... p.169

7.4 ANLISE DOS RESULTADO .......................................................... p.181

7.4.1 Instrumentao Posicionada Junto a Cabea de Bater ..................... p.181

7.4.1.1 Instrumentao Posicionada Junto a Cabea de Bater Re-

anlise dos Resultados de Cavalcante(2002) ................................

p.187

7.4.2 Instrumentao Posicionada Junto ao Amostrador .......................... p.190

7.4.2.1 Instrumentao Posicionada Junto ao Amostrador Re-anlise

dos Resultados de Cavalcanti (2002) ............................................

p.196

7.5 COMENTRIOS FINAIS.................................................................. p.199

8 APLICAES PRTICA DE ENGENHARIA............................ p.201

8.1 INTRODUO .................................................................................. p.201

8.2 EXEMPLOS EM ARGILA ................................................................ p.201

8.2.1 Argilas Moles de Porto Alegre Aeroporto Salgado Filho ............. p.205

8.2.2 Argilas Moles de Recife Clube Internacional do Recife .............. p.208

8.2.3 Aterro Experimental de Sarapu ...................................................... p.210

8.3 EXEMPLO EM AREIAS ................................................................... p.213

8.4 COMENTRIOS FINAIS .................................................................. p.218

9 CONCLUSES E SUGESTES ....................................................... p.219

9.1 CONCLUSES .................................................................................. p.219

9.1.1 - Instrumentao ................................................................................. p.219

9.1.2 - Tratamento do sinal .......................................................................... p.219

9.1.3 - Interpretao de sinais ...................................................................... p.220

9.2 SUGESTO PARA FUTURAS PESQUISAS .................................. p.222

9.2.1 Quanto ao equipamento ................................................................... p.222

9.2.2 Quanto ao programa de simulao numrica ................................... p.223

9.2.3 Quanto continuidade do programa experimental .......................... p.223

9.3 QUANTO A NBR 6484 DE 2001 ...................................................... p.224

10 - BIBLIOGRAFIA ................................................................................ p.225

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 - Simulao numrica de golpe de martelo sobre uma haste ........................... p.29

Figura 2.1 - Tipos de martelo usados no SPT (denominaes na Tabela 2.1) .................. p.40

Figura 2.2 - Esquema de levantamento do martelo com cathead (Kovacs e Salomone,

1982) ................................................................................................................

p.41

Figura 2.3 - Gatilhos Manuais. (A) Sistema Argentino (Ireland, 1966); (B) Sistema

Japones (Clayton, 1993); (C) Sistema de Furnas (Belincanta, 1998) .............

p.44

Figura 2.4 - Amostrador padro segundo Referncia Internacional (IRTR / ISSMFE,

1988) ................................................................................................................

p.45

Figura 2.5 Exemplo de resultado de um ensaio tpico ...................................................... p.50

Figura 2.6 - Sistema de medida de velocidade de queda de martelo por Matsumoto et al

(1992) ...............................................................................................................

p.54

Figura 2.7 - Sistema de radar para determinar a velocidade de queda do martelo da PDI p.55

Figura 2.8 - Esquema da instrumentao (Palacios, 1977) ............................................... p.56

Figura 2.9 - Esquema da instrumentao utilizada no IPT antes de 1982. (Belincanta,

1985) ................................................................................................................

p.58

Figura 2.10 - Esquema de instrumentao utilizada em trabalhos no IPT, quando do uso

de instrumentao importada. (Belincanta, 1985) ...........................................

p.59

Figura 2.11 - Esquema de instrumentao utilizada em trabalhos no IPT, quando do uso

de instrumentao importada e clula de carga IPT. (Belincanta, 1985) ........

p.60

Figura 2.12 - Sistema porttil de aquisio de dados do tipo IPT. (Belincanta, 1998) ....... p.61

Figura 2.13 - Esquema dos dispositivos de medio e funcionamento do sensor de

deslocamento (Menezes & Sobrinho, 1994) ....................................................

p.63

Figura 3.1 - Formao da Onda Longitudinal de Tenso .................................................. p.67

Figura 3.2 - Representao esquemtica da propagao de uma onda de tenso em uma

haste de sondagem. ..........................................................................................

p.69

Figura 3.3 - Comportamento das ondas no instante t (Gonalves et. Al. , 2000) ............. p.71

Figura 3.4 - Comportamento das ondas no instante t+dt. (Gonalves et. Al., 2000) ........ p.71

Figura 3.5 - Condio de contorno na ponta da haste. (Gonalves et. al., 2000) .............. p.73

Figura 3.6 - Reflexo das ondas de fora e Velocidade na ponta da haste. (Gonalves

et. al., 2000) .....................................................................................................

p.74

Figura 3.7 - Onda gerada num ponto intermedirio da haste Atrito Lateral (Gonalves

et. al., 2000) ..................................................................................................... p.76

Figura 3.8 - Propagao da onda de tenso em um ponto de descontinuidade.

(Bernardes, 1989) .............................................................................................

p.77

Figura 3.9 - Onda de impacto para um martelo rgido e um conjunto de hastes elsticas.

(Bernardes, 1989) .............................................................................................

p.80

Figura 3.10 - Esquema do impacto do martelo no conjunto de hastes. ............................... p.83

Figura 3.11 - Esquema de gerao de impulsos de tenso. ................................................. p.85

Figura 3.12 - Esquema do mecanismo de propagao de ondas longitudinais de tenso

no interior da haste. (Schmertmann ePalacios, 1979) ......................................

p.90

Figura 3.13 - Sistema martelo, coxim e haste. (Bernardes, 1989) ...................................... p.91

Figura 3.14 - Influncia da rigidez do coxim na onda de fora. ......................................... p.95

Figura 3.15 - Clculo da energia de deformao ................................................................ p.96

Figura 3.16 - Coeficiente de Correo K1 (IRTP / ISSMFE, 1988) .................................... p.100

Figura 3.17 - Comparao entre uma curva real de fora e uma terica ao longo do

tempo. (Schmertmann e Palacios, 1979) .........................................................

p.101

Figura 3.18 - Coeficiente de correo K2 (IRTP / ISSMFE 1988) ..................................... p.105

Figura 3.19 - Curva Fora, Pulsos e Penetrao do Amostrador no Solo (Schmertmenn e

Palacios 1979) ..................................................................................................

p.107

Figura 4.1 - Projeto Geomtrico da Clula de Carga ........................................................ p.109

Figura 4.2 - Grfico de revenimento ................................................................................. p.110

Figura 4.3 - Detalhe da Fixao dos Acelermetros ......................................................... p.112

Figura 4.4 - Detalhe da Ponte de Wheastone .................................................................... p.113

Figura 4.5 - Detalhe das ligaes dos strain gages ....................................................... p.114

Figura 4.6 - Tela do Programa de aquisio de Sinal ........................................................ p.119

Figura 4.7 - Sinal de fora e acelerao visualizado no campo Haste 35 metros .......... p.120

Figura 4.8 - Curva de calibrao da clula de carga ......................................................... p.121

Figura 4.9 - Sinal de acelerao com necessidade de correo. (eliminao dos picos

indesejveis) .....................................................................................................

p.122

Figura 4.10 - Sinal de acelerao com necessidade de correo (Rebatimento do sinal

atravs da subtrao de uma reta) ....................................................................

p.123

Figura 4.11 - Sinal de acelerao plotado em freqncia ................................................... p.124

Figura 5.1 - A) Discretizao da haste e do Martelo; B) Modelo de Smith ...................... p.127

Figura 5.2 - Exemplo de simulao numrica de haste com impedncia constante ......... p.132

Figura 5.3 - Exemplo de simulao numrica de haste com impedncia varivel devido

presena de luvas e do amostrador ................................................................

p.133

Figura 6.1 - Simulao numrica de um Golpe em haste de 12,6m. ................................. p.135

Figura 6.2 - Definies para o clculo das energias potenciais gravitacionais do martelo

e da haste ..........................................................................................................

p.136

Figura 6.3 - Fairhurst (1961) Sistema bsico de percusso empregado para desmonte

de rocha ............................................................................................................

p.138

Figura 6.4 - Dados do Exemplo ........................................................................................ p.143

Figura 6.5 - Grfico de energia do martelo. A) Energia potencial gravitacional e

energia cintica; B) Energia elstica e energia de amortecimento dinmico ..

p.144

Figura 6.6 - Grfico de energia de haste. A) Energia potencial gravitacional e energia

cintica; B) Energia elstica e energia de amortecimento dinmico ...............

p.145

Figura 6.7 - Energia entregue para o solo ao longo do tempo .......................................... p.146

Figura 6.8 - Grfico de velocidade V e V ................................. .c= tuu ii += + /)( 133 p.152 Figura 6.9 - Velocidade de corpo rgido de uma haste ...................................................... p.153

Figura 6.10 - Sinal de fora e de F=VZh junto a cabea de bater ...................................... p.156

Figura 6.11 - Evoluo do valor de energia ao longo do tempo obtido para as trs

posies ............................................................................................................

p.157

Figura 6.12 - Evoluo da penetrao ao longo do tempo obtido para as trs posies ..... p.157

Figura 6.13 - Esquema das foras atuantes em um ponto qualquer de uma haste .............. p.158

Figura 7.1 - Esquema de montagem dos ensaios .............................................................. p.163

Figura 7.2 - Composio de haste utilizada nos ensaios com haste de 5,80 metros ......... p.164

Figura 7.3 - Composio de haste utilizada nos ensaios com haste de 11,80 metros ....... p.164



Figura 7.6 - Sinais com instrumentao instalada junto cabea de bater haste de

5,8m .................................................................................................................

p.170

Figura 7.7 - Sinais com instrumentao instalada junto ao amostrador Haste de 5,8m . p.171

Figura 7.8 - Sinais com instrumentao instalada junto cabea de bater Haste de

11,8m ...............................................................................................................

p.172

Figura 7.9 - Sinais com instrumentao instalada no centro da haste Haste de 11,8m .. p.173

Figura 7.10 - Sinais com instrumentao instalada junto ao amostrador Haste de 11,8m p.174


18,8m ............................................................................................................... p.175




35,8m ...............................................................................................................

p.178



Figura 7.17 - Resultados para haste de 5,8m ....................................................................... p.183

Figura 7.18 - Resultados para haste de 11,8m ..................................................................... p.183



Figura 7.21 - Energias versus penetrao ............................................................................ p.186

Figura 7.22 - Eficincia em funo do comprimento da haste ...................................... 1 p.187 Figura 7.23 - Energias versus penetrao Dados de Cavalcante (2002) .......................... p.189

Figura 7.24 - Eficincia em funo do comprimento da haste. Cavalcante (2002) ....... 1 p.190 Figura 7.25 - Energia versus penetrao Haste de 5,80m ................................................ p.192

Figura 7.26 - Energia versus penetrao Haste de 11,80m .............................................. p.192



Figura 7.29 - Erro na estimativa da energia entregue ao solo versus comprimento da

haste e penetrao ............................................................................................

p.197

Figura 7.30 - Energia versus penetrao Comprimento de haste varivel Dados de

Cavalcante (2002) ............................................................................................

p.198

Figura 7.31 - Erro na estimativa da energia entregue ao solo versus comprimento da

haste e penetrao, dados de Cavalcante (2002) ..............................................

p.199

Figura 8.1 - Relao entre o coeficiente de adeso para estacas cravadas e a resistncia

no drenada das argilas, segundo Tomilson (1969). ( a partir de Simons &

Menzies, 1981) .................................................................................................

p.204

Figura 8.2 - Relao entre o coeficiente de adeso para estacas cravadas e a resistncia

no drenada das argilas, segundo Flaate (1968). ( a partir de Simons &

Menzies, 1981) .................................................................................................

p.205

Figura 8.3 - Perfil de sondagem SPT Aeroporto Salgado Filho (adaptado do livro

Aeroporto) ........................................................................................................

p.206

Figura 8.4 - Compilao de resultados de Su obtidos por ensaios UU e CPTU e a partir

da presente proposta .........................................................................................

p.207

Figura 8.5 - Perfil de sondagem SPT Clube Internacional do Recife (adaptado de

Coutinho et al., 2000) ......................................................................................

p.208

Figura 8.6 - Compilao de resultados de Su obtidos por ensaios UU e Vane e a partir

da presente proposta .........................................................................................

p.209

Figura 8.7 - Perfil de sondagem SPT Aterro experimental de Sarapu, (Ortigo, 1980) p.210

Figura 8.8 - Compilao de resultados de Su obtidos por ensaios de vane e a partir da

presente proposta .............................................................................................

p.211

Figura 8.9 - ngulo de atrito versus Nspt, (de Mello, 1971) ............................................. p.214

Figura 8.10 - Resultado para Areias Finas com coeso igual a zero ................................... p.217

Figura 8.11 - Resultado para Areias (Conjunto) com coeso de 24 kPa ............................. p.217

LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 - Resultados dos estudos de Casagrande & Casagrade (Kovacs et al.,

1977) .........................................................................................................

p.33

Tabela 2.2 - Caractersticas dos martelos apresentados na Figura (2.2) ..................... p.38

Tabela 2.3 - Comparativo da variao da energia ERr par sistemas cathead

(Kovacs e Salomone, 1982) ......................................................................

p.41

Tabela 2.4 - Caractersticas das hastes de sondagem .................................................. p.46

Tabela 2.5 - Frmulas para o clculo da eficincia ..................................................... p.52

Tabela 3.1 - Ondas Refletidas pela descontinuidade da haste. (Bernardes, 1989) ...... p.79

Tabela 6.1 - Relao de energia EPGm+h / E para haste no submersa .................... p.140 Tabela 6.2 - Relao de energia EPGm+h / E para haste submersa ........................... p.141 Tabela 7.1 - Resumo dos resultados da instrumentao posicionada junto cabea

de bater ......................................................................................................

p.182

Tabela 7.2 - Dados experimentais de Cavalcante (2002) instrumentao

posicionada junto cabea de bater ..........................................................

p.188

Tabela 7.3 - Resumo dos resultados da instrumentao posicionada junto ao

amostrador ................................................................................................

p.191

Tabela 7.4 - Dados experimentais de Cavalcante (2002) instrumentao

posicionada junto ao amostrador ...............................................................

p.198

Tabela 8.1 - Fatores de incremento de carga. (Hermansson e Grvare, 1978; citados

por Bernardes et al 2000) ..........................................................................

p.202

Tabela 8.2 - Clculo de Su a partir do SPTAeroporto Salgado FilhoPorto Alegre p.207

Tabela 8.3 - Clculo de Su a partir do SPT Clube Internacional do Recife ............. p.209

Tabela 8.4 - Clculo de Su a partir do SPT Aterro experimental de Sarapu S1 .. p.211



Tabela 8.7 - Fatores de capacidade de carga Nc e N segundo Vesic. (fonte Velloso

& Lopes, 2002) ..........................................................................................

p.216

LISTA DE FOTOS Foto 2.1 - a)Segmento de 1 m de haste instrumentada com strain-gauges,

mostrando os locais para fixao de acelermetros; b) conjunto de

acelermetros e unidade de aquisio de dados, SPT Analyzer.

(Cavalcante et. Al - 2002) ......................................................................

p.64

Foto 4.1 - Detalhe de fixao dos acelermetros .................................................. p.112

Foto 4.2 - Detalhe da clula de carga .................................................................... p.114

Foto 4.3 - Amplificador e Condicionador de Sinal ............................................... p.116

Foto 4.4 - Clula de carga, acelermetros, amplificador, osciloscpio e micro

computador .............................................................................................

p.117

Foto 4.5 - Tela do osciloscpio ............................................................................. p.118

Foto 7.1 - Prdios utilizados na campanha experimental ..................................... p.161

Foto 7.2 - Seqncia de montagem da cmara de areia ........................................ p.168

LISTA DE SMBOLOS - Coeficiente de adeso; - Peso especfico do solo; 1 - Eficincia devido ao golpe do martelo; 2 - Eficincia devido ao comprimento da haste; 3 - - Massa especfica do ao ( = 7810 kg/m3) - Tenso; - Energia; l - Distncia entre a cabea de bater e a instrumentao; - Penetrao do amostrador no solo;

sistemahmEPG + - Variao da Energia do sistema;

A - rea da seo transversal da haste;

Ap - rea da seo transversal do martelo;

Ab - rea da base do amostrador;

As - rea lateral do amostrador;

ac - Acelerao da partcula;

c - Velocidade de propagao da onda (no caso de hastes metlicas c = 5120

m/s);

c - Coeficiente de amortecimento dinmico;

D - Dimetro do amostrador;

E - Energia;

E - Mdulo de elasticidade do ao (E = 210 Gpa);

E* - Energia potencial gravitacional de referncia, segundo procedimento internacional;

E - Energia potencial gravitacional terica segundo NBR 6484

EPG - Energia potencial gravitacional;

EPE - Energia potencial gravitacional elstica;

EC - Energia cintica;

ED - Energia dissipada pelo critrio de amortecimento;

ES - Energia entregue ao solo;

ETOT - Energia total;

Ehi - Energia cintica do martelo no instante do impacto estimada atravs de Vhi;

Er - energia transferida haste referente primeira onda de compresso incidente;

ERhi - Eficincia da energia cintica disponvel no martelo no instante do impacto;

ERi - Eficincia da energia cintica transferida haste na primeira onda

longitudinal de compresso incidente

ERr - Eficincia de energia transferida haste referente primeira onda

longitudinal de compresso incidente;

ERv - Eficincia da energia cintica do martelo no instante do impacto;

Ev - Energia cintica do martelo no instante do impacto;

F - Fora ;

Fhn - N ensimo impulso de Fora transferida haste ;

fI(t) - Fora inercial da massa;

fD(t) - Fora de amortecimento dinmico;

fS(t) - Fora elstica;

g - Acelerao da gravidade (g = 980,6 cm/s2);

h - Altura de queda do martelo;

k - Constante de rigidez do coxim do martelo;

K1 - Coeficiente de correo que leva em considerao a posio da

instrumentao;

K2 - Coeficiente de correo terico que leva em considerao o comprimento da

haste;

Kc - Coeficiente de correo que leva em considerao velocidade de propagao

da onda no ao;

L - Altura do martelo;

Lo - Comprimento Equivalente da Haste;

l - Comprimento da haste;

Mh - Massa da Haste;

Mp = Mm - Massa do Martelo;

m - Massa do n;

Nc - Coeficiente de capacidade de carga;

Nq - Coeficiente de capacidade de carga;

N - Coeficiente de capacidade de carga;

n - Nmero de pulsos transferidos para a haste;

nl - Eficincia de energias;

r - Razo de impedncias;

Rp - Resistncia na ponta da haste;

Su - Resistncia no drenada da argila;

t - Tempo;

u - Deslocamento;

u - Velocidade da partcula;

u - Acelerao da partcula;

V - Velocidade da partcula animada durante a passagem da onda;

Vhi - Velocidade de queda do martelo imediatamente antes do impacto, estimada

atravs da fora de impacto;

V - Velocidade de queda do martelo imediatamente antes do impacto;

Vo - Velocidade inicial do martelo;

Vp - Velocidade da onda na ponta da haste;

Wp - Massa do martelo;

W - Atrito Lateral na haste;

y - Deslocamento do martelo;

y - Acelerao do martelo;

Z - Impedncia;

Zh - Impedncia da haste;

Zp - Impedncia do Martelo;

f - Representao da funo qualquer de uma onda longitudinal descendente; f - Representao da funo qualquer de uma onda longitudinal ascendente; V - Velocidade da partcula no sentido descendente; V - Velocidade da partcula no sentido ascendente; F - Fora de compresso no sentido descendente; F - Fora de compresso no sentido ascendente; -F - Fora de trao no sentido descendente; -F - Fora de trao no sentido ascendente; Fp - Fora no martelo devido propagao da onda de tenso;

Fh - Fora na haste devido a propagao da onda de tenso;

Wnc - Trabalho efetuado por foras no conservativas;

Captulo 1 Introduo 25

CAPTULO 1

INTRODUO

O SPT (Standart Penetration Test) sem dvida o sistema de investigao mais utilizado no

Brasil e no mundo pela engenharia geotcnica e pela engenharia de fundaes. A sua

simplicidade e robustez, aliadas ao baixo custo do equipamento e a experincia emprica

acumulada na execuo do ensaio e sua interpretao fazem desta sondagem uma ferramenta

indispensvel prtica de engenharia.

Embora de uso corrente, o ensaio tem sido objeto freqente de crticas da comunidade

acadmica, que abrangem aspectos relacionados disperso de resultados, dependncia do

operador e diversidade de equipamentos e procedimentos. Estas limitaes motivaram o

desenvolvimento de estudos a partir da dcada de 70 de medio de energia visando a

padronizao do ensaio, sendo inmeras as contribuies nesta rea (e.g. Schmertmann &

Palcios, 1979; Belincanta, 1985,1998; Kovacs, 1979,1980,1981; Cavalcante, 2002). Estes

estudos procuraram identificar a influncia na medida de penetrao Nspt de fatores associados

s divergncias encontradas nas especificaes geomtricas dos componentes mecnicos

utilizados nos ensaios bem como nos sistemas de elevao e liberao do martelo. Estas

divergncias implicam em distintas energias transferidas s hastes e conseqentemente

utilizadas na cravao do amostrador, levando a resultados distintos. A uniformizao dos

resultados tem sido direcionada correo do valor do Nspt para um valor nico de energia,

sendo o valor de energia de referncia adotado segundo o consenso internacional de 60% da

energia terica produzida pela queda do martelo (IRTP/ISSMFE (1988); Skempton, 1986).

Para a determinao da energia transferida s hastes recomenda-se uma instrumentao

composta por uma clula de carga e um par de acelermetros (e.g Farrar, 1988; Butler et al,

1998). Esta instrumentao registra a passagem da onda longitudinal de compresso gerada

pela ao de um golpe do martelo e atravs da integrao do produto da fora e velocidade ao

longo do tempo determina-se a energia contida nessa onda. A energia contida na onda

longitudinal de compresso, decorrente do golpe do martelo, utilizada na correo do valor

do Nspt para o valor de energia de referncia internacional (N60), Skempton (1986).




influenciam estas medidas. Para tanto foi desenvolvido o equipamento para a aquisio dos

sinais de fora e de acelerao objetivando a correta determinao da energia efetivamente

transferida s hastes. Este equipamento consta do desenvolvimento da clula de carga,

amplificadores e condicionadores de sinais de fora e acelerao, sistema de aquisio de

sinal e tratamento numrico dos registros. Esta uma experincia brasileira de

desenvolvimento de tecnologia nesta rea, combinando aquisio de sinais com interpretao

de registros atravs de software aberto. Assim o estudo compreende o desenvolvimento de um

programa embasado na tcnica de diferenas finitas que simula numericamente o ensaio,

inclusive a mecnica de transferncia de energia s hastes. De posse dessa ferramenta e

tecnologia efetuou-se uma extensa campanha de ensaios totalmente controlados em um tanque

de areia com densidade relativa constante. Os resultados da campanha experimental,

associado aos fundamentos e princpios bsicos da fsica, permitiram uma anlise racional do

ensaio e a proposio de uma nova abordagem de interpretao.

Esta nova abordagem de interpretao do ensaio no visa somente determinao da energia

contida na onda que percorre a haste gerada pela ao do golpe, mas a determinao da

energia efetivamente entregue ao solo e com isso o conhecimento do valor da fora resultante

de reao do solo que atua contra o amostrador. O conhecimento desta fora abre uma gama

de alternativas para a estimativa de propriedades de comportamento de solos com base em

resultados de medidas de SPT.

importante ressaltar que todos os resultados desta pesquisa, bem como as abordagens de

interpretao propostas, se referem a ensaios realizados rigorosamente de acordo com as

recomendaes da Norma Brasileira e das especificaes e procedimentos descritos no padro

internacional (IRTP/ISSMFE, 1988). Os mtodos distintos queles normatizados, que

coexistem na prtica, e suas possveis influncias nas medidas de penetrao no so objeto

deste estudo.

A seguir so apresentadas algumas definies importantes para a correta interpretao do

trabalho.


1.1 - DEFINIES

1.1.1 - Golpe, Impacto e Pulso.

Quando o martelo entra em contato com a haste, surgem imediatamente duas ondas

longitudinais de tenso que se propagam em sentidos opostos: uma onda ascendente no

martelo, e outra descendente na haste com velocidade de propagao c. No tempo t = L/c,

onde L igual ao comprimento do martelo, a onda de tenso gerada no instante do impacto do

martelo com a haste refletida na parte superior do martelo atingindo novamente o ponto de

contato do martelo com a haste no tempo t = 2L/c. Como houve uma desacelerao no

martelo e a velocidade das partculas da haste ainda mesma h um desequilbrio de

velocidades. Este equilbrio restabelecido com a introduo de um novo pulso de tenso na

haste, este de menor intensidade, gerando um novo pulso ascendente no martelo e um pulso

descendente na haste. Este processo repetido sucessivamente at o amortecimento final do

martelo ou a chegada da onda longitudinal de tenso refletida na extremidade inferior da

haste, separando momentaneamente o martelo da composio de hastes. Esse processo

retomado quando do novo impacto do martelo sobre a haste.

Portanto, um golpe de martelo formado por vrios impactos e cada impacto formado por

vrios pulsos. A durao de cada pulso funo da altura do martelo (t = 2L/c). A durao do

impacto funo do comprimento da haste (t = 2l/c). O tempo de durao entre cada impacto

funo do tipo de solo, ou seja, quanto menor a resistncia do solo maior a penetrao e

maior o tempo entre impactos. A quantidade de impactos em um mesmo golpe funo do

solo e do comprimento da haste. Um golpe em hastes curtas formado por vrios impactos

representativos, j em hastes longas um golpe pode ser formado por um nico impacto

representativo.

1.1.2 - Ondas de Compresso Incidentes

A Figura 1.1 apresenta o resultado de uma simulao numrica de um golpe de martelo. Esta

figura interessante, na medida em que fornece uma ilustrao da transferncia de energia s


hastes incluindo as diversas ondas que percorrem a composio e a sua influncia na

penetrao do amostrador devido aplicao de um golpe do martelo.

O exemplo refere-se a um golpe de um martelo de 65kg com 75cm de altura de queda inicial

caindo sobre uma haste de 12,6 metros (ver Figura 6.4). Os parmetros adotados neste

exemplo procuram simular o mais prximo possvel um golpe de martelo e, portanto, todos os

parmetros esto rigorosamente em acordo com a NBR 6484.

Nas curvas que representam as trajetrias da base inferior do martelo e do topo da cabea de

bater possvel identificar os diversos impactos; na figura, os intervalos entre os pontos 1 e 2

correspondem ao primeiro impacto; 3 e 4 ao segundo impacto; 5 e 6 ao terceiro impacto; 7 e 8

ao quarto impacto. No sinal de fora e velocidade possvel verificar tambm os pontos do

impacto, ou seja, de A a B; de E a G; de K a L representa-se respectivamente o primeiro,

segundo, terceiro impacto. O primeiro impacto introduz na haste a primeira onda de

compresso incidente, do ponto A at B. A onda refletida na parte superior da haste retorna

em direo do amostardor dando incio a segunda onda de compresso incidente, referente

ainda ao primeiro impacto, do ponto B at C. Do ponto C a D tem-se a terceira onda de

compresso incidente. A quarta onda de compresso, referente ao primeiro impacto que vai do

ponto D a F, perturbada pelo segundo impacto. A partir desse instante tem-se a onda gerada

pelo primeiro e segundo impacto. Os impactos subseqentes geram novas ondas que vo se

sobrepondo tornando a interpretao do sinal cada vez mais complexa.

A penetrao do amostrador no solo devido aplicao de um golpe s se inicia aps a

chegada da primeira onda de compresso incidente (ponto a) que ocorre a um tempo t = /c do

instante incio do primeiro impacto. A chegada da segunda e terceira onda de compresso

percebida na cravao do amostrador nos pontos b e c respectivamente. visvel nesse

grfico (Figura 1.1) que a segunda e terceira onda de compresso tem uma contribuio

significativa na cravao do amostrador. Esse fato tambm percebido quando da chegada do

segundo impacto, ponto que sem dvida contribui na cravao do amostrador. J os demais

impactos no so to significativos no que diz respeito cravao do amostrador no solo.

A importncia das ondas de compresso incidentes, subseqentes ao primeiro impacto, na

cravao do amostrador funo da resistncia do solo e do comprimento da haste. Sua


importncia na interpretao do ensaio discutida neste trabalho, indicando-se a influncia do

comprimento da composio de hastes na energia efetivamente transferida ao amostrador.

0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060

Tempo (seg)

-50-40-30-20-100102030405060708090100110120130140150

For

a (k

N)

12.50512.51012.51512.52012.52512.53012.53512.54012.54512.55012.55512.56012.56512.57012.57512.58012.58512.59012.59512.60012.605

Des

loca

men

to (m

)

-0.050

-0.045

-0.040

-0.035

-0.030

-0.025

-0.020

-0.015

-0.010

-0.005

0.000Pe

netra

o

(m)

Trajetria da base do martelo

Trajetria da cabea de bater

Penetrao do amostrador

ForaF = V Zh

AB

C

DEF G

H I JK LO P

a

b

cd e

1

2

34 5 6 7 8

f

Figura 1.1 Simulao numrica de golpe de martelo sobre uma haste.

1.2 - ORGANIZAO DA TESE

O presente trabalho est basicamente divido em 3 partes distintas. A primeira composta pelos

Captulos 2 e 3 refere-se a uma reviso bibliogrfica da histria do SPT, destacando-se os

estudos que levaram padronizao do ensaio, tipos de equipamentos utilizados na

sondagem, equipamentos utilizados nas medidas de energia e sua evoluo (Captulo 2), alm

de uma completa reviso na teoria matemtica contida no s interpretao da equao da

onda, mas tambm nas distintas propostas de correo dos valores de energia obtidos

(Captulo 3). A segunda parte se refere s ferramentas desenvolvidas no presente trabalho,

sistema de aquisio do sinal gerado pela passagem da onda longitudinal de tenso por um

ponto da haste (Captulo 4) e o desenvolvimento de um programa de simulao numrica para

a interpretao do ensaio (Captulo 5). A terceira parte deste trabalho composta por uma

anlise terica (Captulo 6), anlise experimental (Captulo 7) e uma tentativa de aplicao

prtica da nova proposta de interpretao do ensaio (Captulo 8). Acrescido a estes captulos

apresentado o Captulo 9 de concluses e sugestes para futuras pesquisas.

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 30

CAPTULO 2

REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 - INTRODUO

A histria do ensaio SPT (Standart Penetration Test) tem sido relatada tanto na literatura

internacional (Fletcher, 1965; Kovacs et al, 1981; Broms e Flodin, 1988; entre outros) como

nacional (Vargas, 1989; Teixeira, 1993 e Belincanta, 1994). A sondagem SPT, segundo os

autores citados, data do incio do sculo, passando por uma fase de grande desenvolvimento

at o final da dcada de 50, quando houve a primeira tentativa de normalizao. Na dcada de

60, verifica-se um perodo de descrdito do SPT, aps a publicao do trabalho de

Casagrande e Casagrande (1968). Entretanto, na dcada de 70 inicia-se uma nova fase, na

qual reconhecida a importncia da energia existente no martelo no instante do impacto, bem

como sua transferncia haste e desta ao amostrador com os trabalhos de Kovacs (1977,

1979, 1981), Palacios (1977), Schmertmann e Palacios (1979), Belincanta (1985). Estes

trabalhos demonstraram que o valor de Nspt est diretamente associado s caractersticas do

equipamento utilizado, principalmente no que diz respeito forma de liberao do martelo, e

levaram Seed et al. (1985) e Skempton (1986) a propor um fator de correo no valor do Nspt

que leva em considerao a energia efetivamente transferida haste. A importncia desta

correo hoje reconhecida e tem sido gradativamente incorporada prtica de engenharia

(e.g. Clayton 1993)

Este captulo apresenta uma breve reviso histrica do ensaio SPT, uma descrio dos

equipamentos utilizados na prtica da execuo do ensaio, cita as recomendaes de

padronizao e apresenta alguns equipamentos e metodologias utilizadas ao longo da histria

no que diz respeito a medidas de energia. Esta reviso baseada nos trabalhos de Belincanta

(1985) e Belincanta (1998).

2.1.1 - Histria do SPT


O primeiro relato do ensaio do SPT data de 1902, quando o Colonel Charles R. Gow

desenvolveu um amostrator de 25 mm de dimetro, cravado dinamicamente com auxlio de

um peso de 50 kg de massa, no fundo do furo de sondagem. Com este amostrador foi

possvel a obteno de amostras chamadas de Dry Sample, que permitiam uma melhor

descrio do tipo do solo e de suas propriedades do que s obtidas anteriormente extradas da

gua de circulao utilizada na perfurao do furo de sondagem.

Em 1927, Harry A. Mohr gerente da The Gow Company, subsidiria da Raymond Concrete

Pile Company e G.F.A Fletcher, desenvolveram o amostrador composto de trs partes

(cabea, corpo e sapata biselada) com 51mm de dimetro externo, denominado amostrador

tipo Raymond. Nesta poca um amostrador semelhante foi desenvolvido pela empresa

Sprague & Henwood de Screnton.

Em 1930 Mohr e Fletcher apresentaram as primeiras especificaes da sondagem, passando a

ser interpretada como um ensaio, onde o resultado era o nmero de golpes necessrios para

cravar o amostrador, em um segmento de 305 mm, dentro do solo, com auxilio de um martelo

de 63,5 kg, caindo de uma altura de 762 mm. A massa do martelo de 63,5 kg foi adotada por

Mohr, a partir da mdia das massas dos martelos utilizados para cravar o amostrador usado na

regio de Boston, na dcada de 20, sendo estes passveis de levantamento manual com auxlio

de uma corda, passando por uma roldana, por dois auxiliares de sondagem. A geometria do

martelo, inicialmente de concreto, era de forma prismtica, contendo um coxim de madeira

dura e um pino-guia, similar ao utilizado at hoje no Brasil. A este martelo dado o nome de

pin guided hammer.

Com o intenso uso da sondagem/ensaio nas investigaes geotcnicas, e com a sua crescente

mecanizao, verificou-se que as hastes usadas de 25,4 mm de dimetro nominal interno,

pesando 3,2 kg/m, eram frgeis e por volta de 1945 passaram a ser substitudas por haste de

maior rigidez, como as do tipo A usadas em de sondagem rotativa.

Terzaghi e Peck em 1948 publicam, em seu livro, o procedimento de execuo da sondagem

com perfurao por circulao de gua, utilizando um revestimento de 63,5 mm de dimetro,

hastes de 25,4 mm e amostrador do tipo Raymond de 51 mm e 35 mm de dimetro externo e

interno respectivamente. Neste livro, os autores, ressaltam que uma maneira simples de se


estimar o grau de compacidade in situ do solo seria o de contar o nmero de golpes

necessrios para cravar o amostrador 305mm, aps um assentamento inicial de 152mm. A

este procedimento foi dado o nome de Standart Penetration Test (SPT). Como o procedimento

inicial utilizava o amostrador Raymond o mesmo passou a ser tambm conhecido como

amostrador tipo Terzaghi & Peck.

Apesar da publicao de Terzaghi e Peck, no final da dcada de quarenta, Hvorslev (1949)

ressaltou a falta de padronizao como a principal restrio ao ensaio SPT. Na regio da Nova

Inglaterra e mesmo na Gow Division da prpria Raymond Concrete Pile Company

usavam-se amostradores de 25,4mm de dimetro interno e revestimento de 51mm de dimetro

nominal, ao invs do amostrador Raymond. Outro problema de normalizao era referente a

contagem do nmero de golpes, que iniciava a partir do ponto de apoio do amostrador e no a

partir de cravao de 152mm iniciais.

Em 1954, Parson prope o registro do nmero de golpes para cada um dos trs intervalos de

152 mm de penetrao do amostrador, sendo a resistncia penetrao dada pela soma

mnima dos golpes de dois intervalos. Sua inteno era a de minimizar as perturbaes no

valor de Nspt provenientes principalmente da presena de pedregulhos. Segundo Kovacs et al.

(1981), com base na proposta de Parson e no incio da fase de normalizao do ensaio, fica

estabelecido, em meados da dcada de 50, a definio da resistncia penetrao como sendo

o nmero de golpes necessrios para cravar 305 mm do amostrador aps seu assentamento

inicial de 152 mm.

Em 1958 publicada a primeira norma D1586-58T da ASTM (Americam Society for Testing

and Materials). Esta norma especifica a cravao do amostrador com o assentamento inicial

de 152 mm, mas no define claramente o que a resistncia penetrao; determina somente

que se registre os golpes necessrios cravao dos segundo e terceiro segmentos 152 mm. J

a norma D1586-63 T, que sucede a de 1958, define com clareza a resistncia penetrao,

como sendo a soma dos nmeros de golpes para cravao dos segundo e terceiro 152 mm. Em

1967 a D1586-67 passa a ter status de norma definitiva.

Fletcher (1965) publica o trabalho intitulado Standart Penetration Test: Its uses and Abuses.

Neste trabalho o autor lista uma srie de fatores intervenientes no SPT, que complementada


por Mohr em 1966. Nesta poca surgem perguntas tais como: O SPT suficientemente

confivel? As experincias anteriores seriam consideradas suficientes para a garantia do uso

presente e futuro do SPT? Somada a essas dvidas, surgem os primeiros martelos automticos

como o pilcon, do qual no se tinha conhecimento de desempenho, dividindo as opinies

quanto a seu uso.

Em 1968, Casagrande e Casagrande convidaram duas empresas tradicionais atuantes no ramo

de sondagem, a Raymond e a Sprague-Henwood, para realizarem uma campanha de furos de

sondagem em uma rea relativamente pequena, em um mesmo depsito de areia. Nesta

campanha foram utilizados procedimentos e equipamentos comuns poca sendo os

resultados apresentados na Tabela 2.1. No h maiores detalhes quanto localizao no nvel

dgua, porm sabe-se que a sondagem do tipo original da Raymond foi executada com

circulao de gua e com acionamento manual do martelo. As discrepncias nos resultados

corroboram ao descrdito do SPT.

Tabela 2.1 Resultados dos estudos de Casagrande & Casagrande (Kovacs et al.1977).

Tipo de

equipamento

Original

Raymond

Flyght Auger

Raymond

Rotary

Equipment

Sprague-

Henwwod

Hollow Stem

Flyght Auger

Acionamento do

martelo

Manual Corda com

tambor (cathead)

Guincho com

cabo de ao

Corda com

tambor (cathead)

Numero de

golpes/305mm

(N)

10

15

45

10

Em 1971 Victor de Mello apresenta no 4o Congresso Panamericano de Mecnica dos Solos e

Engenharia de Fundaes, em Porto Rico, o State of the Art: Standard Penetration Test.

Neste trabalho Victor de Mello d um enfoque de ensaio ao SPT e defende a utilizao de

correlaes entre o Nspt e o ngulo de atrito interno das areias. Neste trabalho tambm

apresentado um estudo da energia transferida s hastes com base na teoria newtoniana.

Na segunda metade da dcada de 70, e incio da dcada de 80 surgem os primeiros trabalhos

de determinao da energia transferida ao amostrador. Dentre os trabalho destacam-se


Palacios (1977), Schertmann e Palacios (1979), Kovacs et al. (1977, 1981,1982), Kovacs

(1979). Estes estudos demonstram que diferenas considerveis no valor do Nspt podem ser

atribuidas ao tipo do equipamento, estado de conservao, forma de utilizao, tipo do

martelo, forma de liberao do martelo, geometria do amostrador, o uso do liner, etc..

As medidas de energia de cravao do amostrador SPT parecem explicar as disperses

normalmente atribudas aos resultados de ensaios. Segue-se a partir destes estudos a

normalizao do ensaio em relao a uma medida de energia de referncia, possibilitando

assim a transposio de experincias regionais.

Os estudos de determinao da transferncia de energia, para os equipamentos utilizados nos

Estados Unidos, apontam como energia mdia transferida haste o valor de 55% em

comparao com a energia nominal (massa do martelo 63,5 kg caindo de uma altura de queda

de 762 mm). Segundo Seed et al. (1985), o valor de 60% mais adequado visto que a maioria

dos martelos em utilizao nos Estados Unidos o Safety Hammer, que transfere uma

energia mdia em relao a nominal de 60%. Alm disto, a energia mdia transferida haste

com martelos utilizados em outras regies do mundo tambm de 60% da energia terica.

Com base nesta observao sugere-se a correo do valor medido de Nspt em um valor de

referncia N60. Esta recomendao adotada e apresentada no clssico trabalho de Skeptonn

(1986), a partir do qual a correo de N para N60 passa a ser recomendada prtica da

engenharia geotcnica mundial.

Aps 1986 so apresentados vrios trabalhos enfocando a necessidade da medida de energia

no SPT, equipamentos de medida utilizados, evoluo das medidas de energia com utilizao

de acelermetros, similares aos utilizados em ensaios de carga dinmica em estacas.

Reconhecendo-se que nem os equipamentos nem os procedimentos de execuo so

completamente padronizados (e. g. Ireland et al., 1970; Clayton, 1993) o controle de energia

durante a cravao passa a constituir-se em elemento indispensvel correta interpretao do

resultado do ensaio.

2.1.2 - Histria do SPT no Brasil O incio da sondagem no Brasil data da dcada de 30, juntamente com a criao da Seo de

Estruturas e Fundaes do IPT e da volta do Eng. Odair Grillo da visita de estudos realizada


Universidade de Harvard, em 1936. sem duvida, o Eng. Grillo o idealizador e iniciador da

medida de resistncia penetrao no Brasil. At esta data as caractersticas do solo eram

determinadas apenas por exame tctil-visual. Em 1943 iniciam-se as medidas de penetrao,

inicialmente de forma experimental, e em 1944 de forma sistemtica. O dimetro do tubo de

revestimento utilizado era de 51 mm e o amostrador foi confeccionado com um tubo,

compatvel ao dimetro do revestimento, disponvel na poca (Segunda Guerra Mundial). Este

amostrador, denominado amostrador tipo IPT possui 38 mm e 46 mm de dimetro interno e

externo, respectivamente.

Outros detalhes do sistema de sondagem utilizado pelo IPT so: a) hastes de

aproximadamente 3,2 kg/m; b) utilizao de cabea de bater; d) martelo cilndrico vazado,

acionado manualmente atravs de corda de sisal e roldana fixa; e) freqncia mdia de 15

golpes por minuto; f) perfurao a trado at o nvel dgua e por circulao de gua abaixo do

mesmo.

Em 1944, a Geotcnica comea a utilizar um amostrador trazido pelo engenheiro Mohr

quando da sua visita ao Brasil. Este amostrador, denominado de amostrador Mohr-

Geotcnica, tinha dimenses de 41,2mm e 25mm de dimetro externo e interno,

respectivamente. Em 1947 a Geotcnica adotou o amostrador Raymond nas suas sondagens

passando o revestimento a ter um dimetro de 63,5 mm.

Em 1956, o professor Costa Nunes chama a ateno falta de normalizao das sondagens

percusso no Brasil. Teixeira (1977) relata que na dcada de 70 a sondagem era realizada de

forma artesanal com uso de diversos procedimentos e equipamentos distintos. Gerger (1974)

discute que para se interpretar os resultados de uma sondagem havia necessidade de se

conhecer a empresa executora.

Todos estes fatores levaram, em 1974, no 5o Congresso Brasileiro de Mecnica dos Solos, a

ser apresentada uma proposta de Mtodo de Execuo de Sondagem de Simples

Reconhecimento dos Solos. Este assunto apresentado com maior detalhe no item

padronizao e normalizao da sondagem no Brasil.


No incio da dcada de 80 iniciam-se as medidas de energia no SPT, sendo pioneiro o trabalho

desenvolvido no IPT. Em 1985 este trabalho concretizado na dissertao de mestrado

entitulada Energia Dinmica no SPT Resultados de uma Investigao Terico

Experimental de autoria de Antnio Belincanta (1985). Este autor, em 1998, dando

continuidade ao seu trabalho efetua uma abrangente pesquisa nos fatores intervenientes no

ndice de resistncia penetrao do SPT.

Em 2002 resultados de estudos recentes na determinao da energia no ensaio SPT so

publicado na tese de doutorado de autoria de Erinaldo Hilrio Cavalcante, entitulada

Investigao Terico-Experimental sobre o SPT, Cavalcante (2002). Em seu trabalho,

Cavalcante apresenta os resultados de uma anlise terico experimental de vrios aspectos

associados transferncia de energia no SPT, dando nfase ao comprimento da composio

das hastes e conclui que a energia transferida ao topo da composio das hastes independe do

seu comprimento e da resistncia do solo. Adicionalmente observou que h diferena entre a

energia medida no topo das hastes e a que atinge o amostrador.

2.1.3 Histria da Padronizao

A normalizao e padronizao da sondagem teve sua evoluo histrica iniciada no IV

Congresso Internacional da ISSMFE (International Society for Soil Mechanics and

Foundation Engineering), realizada em Londres, em 1957, onde foi formado um subcomit

tcnico com o objetivo de estudar os ensaios penetromtricos, estticos e dinmicos, com

vistas normalizao.

A primeira tentativa de norma foi norte americana, D1586-58T, em 1958, da ASTM

(Americam Society for Testing and Materials), sendo sua publicao definitiva datada de

1967, com a numerao D1586-67.

O sub-comit criado no congresso de Londres foi dissolvido, e decidindo-se pela criao de

dois grupos de trabalhos, um americano e outro europeu. Apesar de avanos nos estudos no

houve um comeo entre os grupos que tambm foram dissolvidos. Entretanto, mesmo com a

dissoluo, o grupo europeu continuou trabalhando e em 1977 apresentou normas regionais

sobre o ensaio, para o Comit Executivo da ISSMFE, que foram aprovadas. Em 1982 foi


criado um comit novamente a nvel internacional que apresentou, na primeira conferncia

ISOPT I, realizada em Orlando, 1988, as primeiras propostas de referncia de ensaios. Em

1989, no Congresso Internacional do Rio de Janeiro, foi publicado, em carter oficial, o

Reference Test Procedure.

No Brasil, o engenheiro Alberto Henrique Teixeira apresentou no V Congresso Brasileiro de

Mecnica dos Solos e Engenharia de Fundaes, realizado em So Paulo, 1974, a proposta de

normalizao do Mtodo de Execuo de Sondagens de Simples Reconhecimento dos Solos.

Esta proposta de norma, aps discutida em eventos tcnicos e por vrios usurios e

pesquisadores, foi enviado em 1977 ABNT, para discusso e aprovao, tornando-se

oficialmente a primeira norma brasileira de sondagem SPT, em 1979, denominada Execuo

de Sondagens de Simples Reconhecimento dos Solos, MB 1211/79, com mudana posterior

na numerao para NBR 6484/80.

Muitos pases, tais como Venezuela, Itlia, Mxico, entre outros, adotam a norma dos Estados

Unidos ASTM D1586-67 como padro, j o Brasil, Austrlia, Canada, Japo, entre outros,

possuem norma prpria. Entretanto, consenso mundial a necessidade de seguir a referncia

internacional Reference Test Procedure.

Chama-se ateno que, apesar da Referncia Internacional, alguns pases, regies e empresas

no a adotam na sua ntegra, e cuidados so necessrios quando da extrapolao de

experincias. Por exemplo, no oeste do Paran a sondagem efetuada com a penetrao

contnua do amostrador (Belincata 1998), no Uruguai no usual a execuo de sondagens do

tipo SPT, na Argentina, alm da adoo de norma americana, o padro local o uso do

amostrador de Moreto (Moreto, 1963).

Recentemente, houve mais um avano no sentido de melhorar a qualidade do servio de

sondagem com o lanamento do Manual de Especificaes da Associao Brasileira de

Empresas de Fundao e Geotcnica (ABEF, 1999), onde alm da obedincia a NBR 6484,

so especificados procedimentos quanto ao aspecto trabalhista, bem estar do funcionrio,

freqncia e procedimentos a serem obedecidos na aferio dos equipamentos, padronizao

dos processos, especificao das caractersticas da equipe de sondagem e do supervisor.


Em 2000 a Norma Brasileira NBR 6484 revisada e publicada, tem apresentadas poucas

modificaes em relao da norma de 1980, entretanto clara no sentido de que empresas que

possuem equipamentos fora das especificaes da norma deve apresentar o valor mdio da

energia transferida haste quando da aplicao do golpe do martelo. Esta especificao

mostra a importncia da correo do valor do nmero de golpes do ensaio SPT.

fundamental para boa prtica da engenharia, no que se refere execuo de sondagem SPT,

a adoo das recomendaes da Norma Brasileira e da Referncia Internacional.

2.2 EQUIPAMENTOS

A seguir so apresentados os equipamentos utilizados no ensaio SPT, mais precisamente os

tipos de martelo, sistema de elevao do martelo, tipos de haste, tipos de amostradores e

sistemas de liberao do martelo.

2.2.1 Tipos de martelos. Encontra-se na literatura uma srie de diferentes tipos de martelos utilizados para a cravao

do amostrador. A Figura 2.1 apresenta alguns destes martelos e a Tabela 2.2 cita as suas

caractersticas.

Tabela 2.2 Caractersticas dos martelos apresentados na Figura 2.1. Figura Nome Pas Massa

(kg) Massa do conjunto

(kg)

Massa da cabea de bater (kg)

Fabricante Elevao do Martelo

Liberao do Martelo

Coxim de Madeira

A Com Pino Guia

Brasil 65,0 - 3.8 - Manual Manual Sim

B Martelo Cilindro Vazado

Brasil 65,0 - 3.8 - Manual Manual Sim

C Donut Hammer

USA / outros

63,5 - - Mecanizada Manual / Cathead

No

D Safe T-Driver

USA / outros

63,5 - Mecanizada Manual / Cathead

No

E Safety Hammer

USA / outros

- Mecanizada Manual / Cathead

No

F Booros Co. Ltda

darp Hammer

USA / outros

63,5 Booroe Co. Ltda

Drap Hammer

Mecanizada Gatilho Mecnico

No

G Pilcon Trip

Monkey

USA / outros

63,5 Pilcon Mecanizada Gatilho Mecnico

No

H Ingraterra 63,5 114,70 32.2 Mecanizada Gatilho Mecnico

No

I Japo 63,5 Mecanizada Gatilho Mecnico

No


2.2.2 Sistemas de elevao do Martelo

Os sistemas de elevao do martelo podem ser divididos basicamente em dois grupos: o

manual e o mecanizado. O manual o sistema mais freqentemente utilizado na prtica

brasileira, onde dois auxiliares de sondagem levantam o peso, com auxlio de uma corda, que

passa por uma roldana fixa posicionada na parte superior do trip de sondagem. O sistema

mecanizado geralmente utiliza uma polia (tambor) que gira continuamente, a uma

determinada velocidade, na qual enrolado o cabo, que aps passar pela roldana fixa na parte

superior do trip, est conectada ao martelo. O operador ao puxar a corda, enrolada na polia,

aumenta o atrito da corda com a polia, e com isso eleva o martelo; ao soltar a corda o atrito

reduzido e o martelo cai. fcil de compreender que h um atrito significativo entre a corda e

a polia (tambor), mesmo aps a liberao da corda pelo operador, o que impede que o martelo

caia em queda livre. A velocidade de rotao da polia (tambor), o seu dimetro, o sentido da

rotao (horrio ou anti-horrio), o estado de conservao da corda, dimetro da corda e

principalmente o nmero de voltas da corda em redor da polia so fatores que afetam

diretamente a energia cintica do martelo no instante do impacto com a cabea de bater. No

se pode esquecer que a forma de liberao outro fator determinante na energia cintica

contida no martelo, no instante do impacto com a cabea de bater, sendo este sistema

altamente dependente do operador. A Figura 2.2 apresenta um croqu de um sistema de

elevao do martelo com auxlio de um tambor giratrio (cathead). Na Tabela 2.3 so

apresentados resultados dos valores de energia obtidos para composies distintas, nas quais

h variaes no tipo da corda, velocidade de rotao do tambor, estado da corda e nmero de

voltas da corda no tambor.


AB

CD

E

FG

HI

Figura 2.1 Tipos de martelo usados no SPT (denominaes na Tabela 2.1).


45 cm (PENETRAO)

FURO DE SONDAGEM

AMOSTRADOR

PINO GUIA

HASTE

CLULA DE CARGA

CABEA DE BATER

SENSOR DE RAIOS LUMINOSOS

762 mm

EQUIPAMENTO DE MEDIDA

MARTELO TIPO DONUT - COM FAIXAS PRETAS E BRANCAS

TAMBOR

CABO DE SISAL 25,4mm

ROLDANA

Figura 2.2 Esquema de levantamento do martelo com cathead (Kovacs e Salomone,

1982).

Tabela 2.3 Comparativo da variao da energia para o sistema cathead. (Kovacs e

Salomone, 1982). Fabricante

do Equipamento

Srie do

ensaio

Nmero de dados

por ensaio

Numero de voltas do cabo no tambor

Mdia da altura de

queda (polegadas)

Velocidade de rotao do tambor (ps/min)

Dimetro da corda e

estado (polegadas)

Tipo de martelo

Sentido de rotao do

tambor

Energia ERr (%)

CNE-55 2 10 1 30,48 540 usada Safety Horrio 80,5 3 10 2 30,40 540 usada Safety Horrio 69,2 4 10 3 29,15 540 usada Safety Horrio 49,7 10 10 1 29,94 468 1 nova Safety Horrio 78,5 11 11 2 30,59 468 1 nova Safety Horrio 75,7 12 10 3 29,69 468 1 nova Safety Horrio 64,6

CNE-55 28 31 2 31,15 180 usada Donut Horrio 61,7 29 3 3 32,23 180 usada Donut Horrio 37,1 30 6 1 31,93 180 usada Donut Horrio 68,6 31 5 2 31,20 180 usada Donut Horrio 58,9


A anlise dos dados da Tabela 2.3 identifica claramente a influncia de vrios fatores no valor

da energia transmitida ao amostrador, o que afeta diretamente o nmero de golpes do SPT. A

energia transmitida atravs do sistema manual de elevao, produz nveis de variabilidade de

medidas com disperses similares da Tabela 2.3.

Os martelos levantados com auxlio do tambor giratrio (cathead), mas providos de sistema

de gatilho para liberar o martelo em queda livre so menos influenciados pelos fatores acima

citados. Entretanto, a velocidade de aplicao dos golpes imposta pelo operador pode tambm

afetar a energia cintica do martelo no instante do impacto com a cabea de bater. Foi

observado por Kovacs (1981) que, para freqncias de golpes maiores que 15 golpes por

minutos, o martelo possui uma energia cintica ascendente, no instante de liberao, que

provoca uma sobre elevao da altura de queda em relao a padro.

Belincanta (1998) ressalta que essa sobre elevao, na altura de queda padro, tambm ocorre

no sistema manual, utilizando o martelo do tipo com pino guia, onde o operador s libera o

martelo em queda livre aps o aparecimento da marca no pino que indica a altura de queda de

75 centmetros. Nesse instante o operador ainda no liberou a corda e como o martelo possui

uma determinada energia cintica ascendente, sempre ocorre um pequena sobre elevao em

relao a altura de queda padro.

2.2.3 Tipos de Hastes

A norma brasileira clara e rigorosa quanto ao tipo de haste a ser utilizada na sondagem

SPT. A haste deve ser um tubo de ao de uma polegada de dimetro nominal com uma massa

de 3,23 Kg/m. J nos Estados Unidos, as hastes devem possuir rigidez maior ou igual haste

do tipo A (41,2mm) ou AW com 43,6 mm de dimetro. Segundo Muromachi et al (1974), as

hastes no Japo devem ter dimetros entre 40,5 e 42,0 mm. Hastes pouco rgidas ou muito

longas produzem Nspt baixos devido s perdas de energia decorrentes do efeito de flambagem

das hastes (Clayton 1993). Estudos efetuados por Matsumoto e Matsubara (1982) indicam que

no h diferenas significativas entre os valores de Nspt quando so usadas hastes com

dimetros variando entre 40 e 60 mm e massa entre 4,34 e 9,14 kg/m, e comprimentos de at

47 metros no que diz respeito a flambagem da composio.


2.2.4 Tipos de Amostradores

A geometria dos amostradores varia de um pas para outro. Nos Estados Unidos os

amostradores possuem um dimetro interno ligeiramente maior que o dimetro interno da

sapata cortante. Este aumento no dimetro interno tem como objetivo a colocao de um

liner para facilitar a coleta e manuseio da amostra. O dimetro interno maior facilita a

entrada da amostra, diminuindo o nmero de golpes necessrios para cravar o amostrador,

ent

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