CASE Porto em Santa Catarina by SCAC

Case

Porto em Santa Catarina

Obras Portuárias

Estudo de Alternativa

Conhecendo o Terreno

Mãos à Obra

Resultados

Conclusão

Obras Portuárias Desafio de desenvolvimento e crescimento sustentável

Foi dentro deste contexto do chamado Ciclo das Obras Portuárias que a SCAC buscou encontrar a melhor solução para esta obra de infraestrutura, encarando diversos desafios. Localizado em Santa Catarina, o novo porto previa a utilização dos equipamentos mais avançados do mundo, inclusive com utilização de mão-de-obra capacitada e especializada em sua operação. Entre outras peculiaridades, o terreno geologicamente complexo, mole, intercalado com camadas de areia, exigiria grandes profundidades na cravação das estacas, em torno de 50 m.

Não bastasse isso, em certas épocas do ano, a maré alta não permitia que o trabalho se estendesse normalmente pelo período da tarde, impedindo algumas vezes sua continuidade. Mas a SCAC soube avaliar a melhor alternativa. Inicialmente, cogitou-se utilizar estacas do tipo Franki. Se por um lado esta opção permitiria usar estacas menos profundas, em torno de 15 m, por outro, a base alargada (bulbo) demandaria uma quantidade muito grande de concreto, elevando os custos.

A solução da SCAC se baseou na conjugação de dois elementos chave de seu domínio tecnológico:

Especificações da Obra total de estacas

1) Utilizar tecnologias de concreto centrifugado e industrializado. 2) Controlar a cravação estaca por estaca, através do registro de nega-repique em todas elas. Isso possibilitou trabalhar com o mesmo comprimento cravado, em torno de 15 m, sem a necessidade de incrementar o número de estacas. Como o controle foi realizado para cada estaca, tinha-se certeza de que as estacas atenderiam as especificações necessárias para suportar a carga exigida para os equipamentos e operações do porto. Além disso, a complexidade de esforços e a influência do transporte de carga exigiram que os equipamentos trabalhassem com a torre inclinada para cravação de estacas.

cravadas (unid)

2.506

comprimento cravado (m)

32.798,30

total de comprimento levantado (m)

35.957,98

total de emendas executadas (unid)

3.124

número de estacas quebradas (unid)

Quando se fala em 2.500 estacas, o ganho de tempo é enorme, principalmente se levarmos em conta que demora-se, em média, 2 horas para cravar uma estaca de 15 m e 7 horas para cravar uma de 50 m. Para conhecer qual foi a participação da SCAC neste projeto, preparamos este material. Esperamos que ao final da leitura, você possa conhecer melhor a maneira da SCAC trabalhar, sempre colocando a Tecnologia ao lado das pessoas e das comunidades, para atingir seus objetivos.

Estudo de Alternativa Estacas pré-fabricadas de concreto centrifugado Uma preocupação das concessionárias portuárias é a implantação de um porto que atenda a uma grande demanda de envio/recebimento de cargas no menor tempo possível. O uso de equipamentos modernos e ágeis tem exigido das obras de fundações controles cada vez mais rigorosos e um conhecimento específico e detalhado do terreno, para que os esforços que a superestrutura irá solicitar em serviço sejam atendidos, transmitindo segurança às operações. O porto foi implantado numa área que possui um grande depósito argiloso flúvio-marinho, às margens do rio Itajaí-Açu/SC. Essa área apresenta camadas de argilas compressíveis com características mecânicas distintas, de espessuras variáveis, intercaladas por camadas de areia. Esse terreno apresentou nos ensaios de sondagem SPT profundidades de até 52,0 m. A geologia apresentada pelo terreno nos conduziria a um estaqueamento de grande profundidade - a fim de atender as condições do projeto -, exigindo estacas com armações especiais para absorverem os esforços de flambagem, encarecendo a solução. Entretanto, devido à ocorrência de uma camada de areia fina siltosa - medianamente compacta - na profundidade média de 14,0 m, foi possível que os projetos iniciais fossem elaborados e estudados com estacas do tipo Franki com 70 cm de diâmetro e bulbo alargado.

Alternativamente estudou-se a aplicação de estacas pré-fabricadas de concreto centrifugado que parassem na mesma camada, sem a necessidade de incrementar o número de estacas a serem cravadas. O uso desta alternativa se viabilizou pela necessidade de se comprovar e garantir a qualidade da execução do estaqueamento em todas as estacas, além de usufruir um elemento com concreto industrializado. Dessa forma, a compreensão do terreno e sua estratigrafia é de total importância, pois permite que não ocorram situações de supercravações, que levariam as estacas a grande profundidade (L > 40,0 m). Ao mesmo tempo, garante a capacidade de carga de cada elemento, conferindo confiabilidade à execução. Esse monitoramento foi realizado por uma extensa campanha de sondagens, de ensaios de carregamento dinâmico (ECD), provas de carga estática (PCE) e pelo registro do conjunto nega-repique em todas as estacas.

Conhecendo o terreno características complexas exigem soluções estudadas

O terreno é caracterizado por um grande depósito argiloso flúvio-marinho, apresentando uma composição de três camadas de argila orgânica intercaladas por camadas de areia, conforme apresentado na Figura 01. O conhecimento da sondagem é um retrato em profundidade do solo. Permite o estudo do comportamento dos elementos de fundação que serão cravados e que durante a execução seja aferida a resistência da camada do solo - a cada golpe - com a sondagem mais próxima. Assim, cada cravação caracteriza uma sondagem própria daquele ponto no terreno, permitindo posteriormente aferir as premissas de projeto com as características do solo, para cada estaca. Dessa maneira é possível avaliar a cada momento o projeto no ponto segurança - controle - economia (retroanalise). O impenetrável a percussão foi atingido a profundidades de 52,0 m. Mas nessa camada há presença de argila dura ou areia fina, intercalada com seixos, que em alguns casos

Figura 01: Perfil de Sondagem

chegou a uma profundidade limite de 84,0 m. Pelo perfil da figura é possível identificar até a profundidade de 10,0 m a existência de camadas moles, que pouco contribuem para a transferência de carga entre a estaca e o solo. É importante explicar que o mecanismo de interação solo-estrutura, nas fundações profundas, é responsável por transmitir ao solo a carga aplicada no topo da estaca. Isso se dá através de atrito lateral (fuste da estaca) ao longo das camadas e pela ponta, sob a superfície resistente do solo. Nessa situação foi considerada uma profundidade média de cravação de 14,0 m. Os 4,0 m finais são responsáveis por transmitir tensões ao solo através de atrito lateral e o restante é absorvido pela ponta, onde se encontra a superfície resistente sobre a camada de areia silto-argilosa. Esse mecanismo de transferência e seu monitoramente serão analisados adiante.

Mãos à Obra

Execução em campo

A obra foi subdividida em 18 módulos compostos por 139 estacas cada, resultando em 2506 estacas Ø70, em concreto armado centrifugado, com espessura de parede de 12 cm e capacidade de carga no elemento isolado de fundação de 1850 kN de compressão (QPROJ). As estacas se dividiam em 88 inclinadas e 51 verticais. Por se tratar de uma obra portuária, ocorrem esforços horizontais sobre a infraestrutura. Estes esforços são transferidos da superestrutura para as fundações, responsáveis por transferí-los ao solo. A Figura 02 apresenta um esquema da locação dos eixos de estacas.

Figura 02: Locação de um módulo do estaqueamento.

Para a execução foram utilizados 7 equipamentos (bate-estacas) com martelos de queda livre com pesos entre 60 kN a 80 kN. Dos equipamentos utilizados, 5 possuiam sua torre na posição inclinada na proporção de 1:5 e 2 possuíam a torre na posição vertical. Para que não ocorressem super-cravações, foi realizado o controle da energia, a fim de que não atravessassem a camada de areia e penetrassem na argila mole e orgânica. Nos eixos das estacas verticais (sinalizados pela cor azul), foi locado um equipamento por eixo. No eixo das estacas inclinadas (cor cinza), há a ocorrência de estacas inclinados em relação ao eixo principal, direcionadas para direita e esquerda intercaladas, viabilizado com a utilização de dois equipamentos com o sentido das torres opostos e o caminhamento defasado, para trabalharem próximos.

Os diagramas de cravabilidade estão na Figura 03. Eles apresentam uma comparação entre as sondagens e a dificuldade de cravação das estacas. Para o controle da capacidade de carga, foram realizados 4 conjuntos de provas de carga: compressão, tração e horizontal representando uma amostra de 0,15% do universo de estacas cravadas, 73 ensaios de carregamento dinâmico (ECD – 2,91%) e 2506 registros do conjunto nega-repique. Todos os ensaios foram realizados por uma empresa especializada, contratada diretamente pelo cliente, enquanto os registros de repique foram realizados pela SCAC.

Figura 03: Comparação entre diagramas de cravação da estaca E060M15 e sondagens SPT SP-02.

Adicionalmente aos repiques, foram realizadas recravações, para aferir a capacidade de cicatrização do terreno com o tempo (set-up). Isso se fazia para avaliar o ganho de resistência do terreno ao longo do tempo, permitindo assim estimar e conhecer a capacidade de carga do elemento de fundação em serviço. A cada início de um novo módulo eram realizados os diagramas de cravação através da contagem de golpes para cada metro, a fim de aferir a sondagem mais próxima e a resistência do terreno. Com os registros dos dados de campo (comprimento cravado, conjunto nega-repique e diâmetro) para um determinado equipamento utilizado, é possível estimar a capacidade de carga ao término da cravação, para um determinado nível de energia. Esse critério pode ser utilizado para monitorar a capacidade de carga em qualquer idade. Com a realização dos demais ensaios (sondagens, PCE e ECD), foi possível aferir os parâmetros do repique elástico (fórmula de Chellis – equação [1]), tais como o quake do solo – C3 e a relação entre a carga de atrito/ponta – f, resultando numa previsão de resistência mobilizada.

R MOB =

( K − C 3) ⋅ E ⋅ A [1] f ⋅L

RESULTADOS

Resultados Com a necessidade de garantir a capacidade de carga das estacas com as pontas tendo como superfície resistente a camada de areia siltosa e ao mesmo tempo de não permitir que ocorressem supercravações, houve a necessidade de controlar a energia de cravação mantendo as alturas de queda sempre constantes. O projeto especificava um comprimento médio de 14,0 m, enquanto que a média global encontrada na execução foi de (13,1 ± 1,3)m, resultando num coeficiente de variação de 11,7%. A Figura 04 apresenta a curva de distribuição das frequências para os comprimentos cravados. Mesmo havendo todo esse controle, ocorrem variações nos comprimentos cravados fora da faixa, variando entre 11,8 m e 14,4 m, existindo um caso excepcional de atingir a profundidade de 49,9 m.

Frequências ências (%)

0 8,5

9,4

10,3

11,2

12,2

13,1

14,0

14,9

15,8

16,7

17,7

Comprimento Cravado (m) (Média = 13,1 m - Desvio Padrão = 1,3 m - CV = 11,7 %)

Figura 04: Frequências de distribuição e curva de Gauss para os comprimentos cravados – n = 2506 estacas ø70

Para a verificação do atendimento às premissas de projeto foram verificadas antes e durante a execução as reais capacidades de carga dos elementos de fundação, através da realização de Provas de Carga Estáticas. A Tabela 01 apresenta os dados de cravação referentes às estacas ensaiadas, enquanto a Figura 05 ilustra as curvas carga aplicada vs. deslocamento.

Tabela 01: Dados de cravação das estacas ensaiadas através de PCE.

Estaca Nº. Comp. Martelo Altura S K Previsão2 PRPCE Sondagem Set up1 de Queda (m) (kN) (m) (mm) (mm) PR (kN) (kN) próxima (dias) E114M02 E018M04 E125M09 E113M15

12,2 13,2 14,9 12,7

70 70 70 70

1,0 1,0 1,0 1,0

20 13 23 14

15 17 15 15

3587 3020 3997 3887

3117 2821 3760 3709

SP02 SP18 SP09 SP12

70 71 59 56

1 – idade considerada entre o término da cravação e a realização da PCE. 2- valores obtidos através do método Aoki Velloso.

Carga Aplicada (kN) 0

500

1000

1500

2000

Deslocamento camento (mm) mm)

50 E113M15

E125M09 E018M04 E114M02

Figura 05: Curva de carga aplicada versus deslocamento.

A Figura 05 apresenta as curvas carga-recalque extrapoladas através da equação de Van der Veen, com as cargas de ruptura variando entre 2821 kN e 3760 kN. Pelo formato das curvas foi possível caracterizar as cargas de ruptura, demonstrando que o elo fraco da interação solo-estrutura nessa situação é o solo. Caso a ruptura fosse comandada pelo elemento estrutural (a curva carga-recalque apresentaria um comportamento linear) a carga seria nessa situação superior a 5000 kN.

2500

3000

3500

4000

Para a estaca E125M09 adicionalmente a PCE foi realizada um ensaio de carregamento dinâmico com set up de 6 dias. A Figura 06 apresenta uma comparação entre as curvas carga máxima mobilizada versus deslocamento para os diversos tipos de ensaios. Através das curvas da Figura 06 e considerando o comprimento da estaca de 14,90 m, a carga de ruptura (QRUP) no ensaio da PCE foi de 3760 kN para um deslocamento de 76,6 mm, caracterizando a carga de ruptura para um set up de 59 dias.

Resistência Mobilizada (kN) 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

C3 = 9,5 mm f = 0,76

Deslocamento ento (mm)

50 Ens. Carreg. Dinâmico

Repique Elástico Repique - Final de Cravação

Figura 06: Curva resistência mobilizada vs. deslocamento – PCE – ECD – REPIQUE.

Para os dados do ECD realizado na estaca com set up de 6 dias, a carga máxima mobilizada (RMX) é de 2681 kN para um deslocamento máximo de 17,0 mm. A análise CAPWAP desse sinal resultou num valor de quake do solo (C3) igual a 9,5 mm com uma relação entre as cargas de ponta/atrito (f) de 0,76.

Extrapolando os pontos para os diferentes níveis de energia (EMX) resultou na QRUP,K de 2912 kN. Para o final de cravação e para um determinado nível (altura de queda = 1,0 m) a resistência máxima mobilizada (RMFC) foi de 2139 kN para um deslocamento de 17,3 mm. Dessa maneira, através dos resultados da PCE (QRUP) e considerando a carga de projeto, (QPROJ) o fator de segurança obtido é (FS) igual a 2,03. Caso fosse considerar a carga de ruptura obtida no ECD (QRUP,ECD ~ QRUP,K) o FS = 1,57. A Tabela 02 apresenta um resumo de alguns ECD, casos com set up superior a 6 dias, onde é possível avaliar a capacidade de carga da estaca considerando os efeitos de cicatrização do solo e consequentemente o ganho de resistência.

Tabela 02: Ensaios de Carregamento Dinâmicos. Compr. Altura Martelo Set up RMX RS RT DMX EMX EPOT e N˚. N˚. Estaca Cravado Queda (m) (m) (kN) (dias) (kN) (kN) (kN) (mm) (kN.m) (kN.m) (%) 1 E113M18 15,80 1,6 70 6 2912 1259 1653 14,0 43,5 112 38,8 2 E028M17 13,45 1,8 70 8 3061 1619 1442 12,5 46,3 126 36,7 3 E038M17 13,65 1,8 70 16 2518 1799 719 11,7 47,1 126 37,4 4 E037M13 13,50 1,8 70 26 2919 2448 471 15,0 43,9 126 34,8 5 E124M09 36,85 1,2 70 6 2952 2060 892 20,8 56,3 84 67,0 6 E125M09 14,80 1,4 70 6 2681 1292 1389 17,0 53,2 98 54,3 7 E129M08 24,40 1,2 70 6 2985 1614 1371 17,2 49,6 84 59,0 8 E130M08 19,40 1,6 70 7 2840 996 1842 22,2 77,4 112 69,1 9 E131M08 14,00 1,2 70 7 3054 1462 1592 14,4 47,4 84 56,4 10 E139M06 14,00 1,4 70 8 3242 1241 2297 24,3 96,9 98 98,9 11 E116M07 13,80 1,8 70 11 3350 1645 1705 20,6 73,2 126 58,1 12 E122M07 13,20 1,4 70 11 3405 1352 1912 26,6 89,9 98 91,7 13 E034M03 13,10 1,0 70 11 2626 1346 1280 14,4 46,4 70 66,3 14 E040M03 12,80 1,4 70 6 2990 1057 1933 17,2 49,5 98 50,5 15 E018M04 13,20 1,4 70 12 2670 1150 1520 17,1 62,5 98 63,8 16 E039M04 12,40 1,4 70 9 2977 1346 1280 14,4 46,4 98 47,3

Onde: RMX resistência máxima mobilizada pelo golpe do martelo; RS

parcela da resistência mobilizada devido ao atrito lateral da estaca;

parcela da resistência mobilizada devido à carga de ponta da estaca;

DMX

deslocamento máximo;

EMX

energia máxima líquida transferida do sistema de cravação à estaca;

EPOT

energia potencial do sistema de cravação;

eficiência do sistema de cravação;

A Tabela 03 apresenta os dados do conjunto nega-repique correspondente aos golpes analisados na Tabela 02 com os respectivos valores de C3 e f obtidos através da análise CAPWAP. A partir desses dados foram estimadas as capacidades de carga mobilizada para cada estaca através da equação de Chellis.

Tabela 03: Dados do conjunto repique-nega correlacionados com as resistências mobilizadas pelo ECD.

Compr. Set up K S RMX C3CAPWAP f RMCHELLIS QPROJ PREVDV1 FS2 N˚. N˚. Estaca Cravado (m) (dias) (mm) (mm) (KN) (mm) (kN) (kN) (kN)

1 – a carga de ruptura se refere a extrapolação dos resultados dos ECD; 2 – o fator de segurança se refere a carga de ruptura (PREVDV); 3 – ruptura comandada pelo elemento estrutural e limitada a 5000 kN;

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

E113M18 E028M17 E038M17 E037M13 E124M09 E125M09 E129M08 E130M08 E131M08 E139M06 E116M07 E122M07 E034M03 E040M03 E018M04 E039M04

15,80 13,45 13,65 13,50 36,85 14,80 24,40 19,40 14,00 14,00 13,80 13,20 13,10 12,80 13,20 12,40

6 8 16 26 6 6 6 7 7 8 11 11 11 6 12 9

13 12 16 11 16 15 15 19 13 11 15 14 14 13 13 14

3 13 34 4 38 25 26 30 31 30 19 31 21 10 13 18

2912 3061 2518 2919 2952 2681 2985 2840 3054 3242 3350 3405 2626 2990 2670 2977

6,95 8,53 9,63 7,11 4,69 9,52 6,65 10,70 8,18 5,16 9,20 9,40 9,35 8,12 7,96 9,35

0,78 0,74 0,64 0,58 0,65 0,76 0,73 0,82 0,76 0,90 0,75 0,76 0,74 0,82 0,78 0,66

2938 2110 4367 2985 2962 2934 2821 3124 2722 2789 3351 2758 2871 2785 2927 3438

1850 1850 1850 1850 1850 1850 1850 1850 1850 1850 1850 1850 1850 1850 1850 1850

3650 1,97 3071 1,66 2874 1,55 3928 2,12 4035 2,18 3764 2,03 50003 2,70 3116 1,68 3326 1,80 50003 2,70 3374 1,82 3999 2,16 2853 1,54 3040 1,64 3668 1,98 3241 1,75

O valor de C3 variou em média de 11,6 mm a 16,7 mm considerando que a superfície resistente da ponta das estacas é composta de areia silto-arenosa, enquanto que o valor de f variou de 0,78 a 0,90 (tendência a carga de ponta). A Figura 07 apresenta uma série de exemplos obtidos das estacas da Tabela 03 ilustrando as curvas resistência mobilizada versus deslocamento para os diversos golpes aplicados utilizando energia crescente. Os diversos exemplos apresentados possibilitaram caracterizar as curvas carga-recalque, visto que a energia aplicada nos golpes proporcionou o deslocamento da ponta do solo, e que os valores entre as cargas máximas mobilizadas e as cargas extrapoladas a partir dos pontos dos ensaios de carregamento dinâmico foram próximos e proporcionais, em média QMÁX,MO ~– 1,3 QRUP,ECD. As curvas dos gráficos apresentam as extrapolações dos pontos de energia crescente do ECD correlacionando com os parâmetros de C3 e f.

As curvas dos gráficos apresentam as extrapolações dos pontos de energia crescente do ECD correlacionando com os parâmetros de C3 e f. E130M08 - Ø70 - LCRAV. = 19,40 m

E129M08 - Ø70 - LCRAV. = 24,40 m

Resistência Mobilizada (kN)

Resistência Mobilizada (kN) 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

C3 = 6,7 mm f = 0,73

1000

3500

4000

Ens. Carreg. Dinâmico

Repique Elastico

Repique Elastico Repique - Final de Cravação

E139M06 - Ø70 - LCRAV. = 14,00 m

E131M08 - Ø70 - LCRAV. = 14,00 m

Resistência Mobilizada (kN)

Resistência Mobilizada (kN) 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 C3 = 8,2 mm f = 0,76

C3 = 16,4 mm f = 0,90

Deslocamento mento (mm)

3000

Repique - Final de Cravação

Ens. Carreg. Dinâmico

Ens. Carreg. Dinâmico Repique Elastico

Repique Elastico Repique - Final de Cravação

Repique - Final de Cravação

Figura 07: Exemplos de curvas de carga mobilizada vs. deslocamento para ECD e K.

2500

C3 = 10,7 mm f = 0,82

Ens. Carreg. Dinâmico

2000

1500

Deslocamento mento (mm)

500

4000

A Figura 08 apresenta a correlação entre as cargas obtidas pelo ECD e as obtidas pela equação de Chellis, com o uso do repique elástico.

5000

Resistencia stencia Mobilizada da Chellis - Repique ue

4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

Resistencia Mobilizada RMX - CAPWAP

Figura 08: Comparação entre os valores de resistência mobilizada pelo CAPWAP e Repique (K).

A partir das análises das sondagens correlacionadas com os resultados das provas de carga estática e ensaio de carregamento dinâmico, foi possível aferir os parâmetros de C3 e f para cada módulo do projeto. Adotando esses valores para o universo total de estacas (n=2506), determinando a resistência mobilizada para cada estaca, é possível aferir o FS global. A Figura 09 apresenta a distribuição de freqüências das resistências mobilizadas e extrapoladas (QRUP) e a curva de Gauss correspondente para todas as estacas da obra. Considerando que a média da resistência mobilizada – (QRUP) é de 3655 kN, com um coeficiente de variação (CV) de 11,1 % e que a carga de projeto (QRUP) é igual a 1850 kN, resulta num fator de segurança (FS) global da obra de 1,98.

Frequências quências (%)

0 2.432

2.677

2.922

3.166

3.411

3.656

3.900

4.145

4.390

4.634

4.879

Resistências na Cravação (kN) (Média = 3.655 kN - Desvio Padrão = 408 kN - CV = 11,1 %)

Figura 09: Curva de distribuição de frequências e Gauss para os valores de resistências mobilizadas – n = 2506 estacas.

Conclusão A solução executada pela SCAC concorreu com o projeto de fundações em estacas Franki, em que seria necessário, após a cravação, alargar o bulbo e utilizando o concreto que estaria em contato direto com longas camadas de argila, podendo haver contaminação. Pela exposição dos dados do projeto, o controle realizado comprovou a solução, demonstrando a confiabilidade das capacidades de cargas em função dos comprimentos cravados. Os fatores de segurança logo após o término da cravação eram de aproximadamente 1,6 e aliado ao efeito tempo e/ou cicatrização do solo o FS global alcançou a media de 2,0. Durante as cravações da estacas a superfície resistente do solo se localizou de forma homogênea a uma profundidade de 13,1 m, confirmando as previsões das sondagens parando na camada de areia siltosa. O uso do conjunto nega-repique elástico aliado aos dados de sondagens, provas de carga estática e ensaios de carregamento dinâmico, além de demonstrar um controle momentâneo a cada golpe aplicado pelo conjunto martelo-estaca, ofereceu um grande potencial em aferir as capacidades de carga mobilizadas e seu respectivo fator de segurança (FS) global do projeto.

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