Prova de carga bidirecional: como funciona a célula expansiva dentro da estaca

Desafios de carregamento em estacas de grande capacidade

O dimensionamento de fundações profundas para obras de infraestrutura, edifícios de grande porte e pontes frequentemente resulta em estacas escavadas, barretas ou tubulões com capacidades de carga que superam milhares de quilonewtons. A verificação do desempenho dessas fundações por meio de ensaios estáticos convencionais impõe severos entraves logísticos e financeiros. A prova de carga estática tradicional aplicada no topo exige sistemas de reação de proporções monumentais, seja por cargueiros compostos de blocos de concreto e caixas de brita, seja por conjuntos de tirantes e estacas de reação ancoradas no maciço.

Em elementos de fundação com cargas de trabalho elevadas, a montagem de um cargueiro de topo pode envolver riscos operacionais críticos, áreas de canteiro inviáveis e custos que rivalizam com o próprio custo da fundação. Para solucionar esse impasse geotécnico e viabilizar o controle tecnológico conforme as diretrizes da ABNT NBR 6122:2022, consolidou-se na engenharia mundial e nacional o uso do ensaio bidirecional, também conhecido pela sigla PCB ou ensaio com célula Osterberg (O-cell).

Princípio de funcionamento da célula expansiva

A prova de carga bidirecional fundamenta-se na instalação de uma ou mais células hidráulicas expansivas no interior do fuste da estaca, em uma cota pré-determinada antes da concretagem. Essa célula, fabricada em aço de alta resistência, atua como um macaco hidráulico descartável integrado à própria armadura do elemento estrutural.

Diferente do ensaio convencional executado no topo, onde a força é aplicada para baixo contra uma reação externa, a célula bidirecional aplica forças axiais iguais e opostas no interior do elemento:

• O segmento superior da estaca é empurrado para cima, mobilizando o atrito lateral ao longo do trecho situado acima da célula, contrabalanceado pelo peso próprio do concreto desse segmento.
• O segmento inferior da estaca é empurrado para baixo, mobilizando a resistência de ponta da estaca somada ao atrito lateral do trecho situado abaixo da célula.

O próprio elemento estrutural fornece sua reação mútua. A parte superior serve de reação para o carregamento da parte inferior e vice-versa. Esse princípio mecânico elimina a dependência de vigas metálicas pesadas, tirantes de ancoragem cravados no entorno ou cargueiros na superfície, permitindo a mobilização de cargas estáticas da ordem de dezenas de meganewtons com segurança no canteiro de obras.

Definição da cota de instalação e ponto de equilíbrio

O sucesso da prova de carga bidirecional reside na determinação rigorosa do nível em que a célula expansiva deve ser posicionada. Conforme discutido na literatura geotécnica nacional, incluindo a dissertação de mestrado de Thais Lucouvicz Dada apresentada na Universidade de São Paulo em 2019 e publicações nos anais do Seminário de Engenharia de Fundações Especiais e Geotecnia (SEFE), a cota ideal corresponde ao ponto de equilíbrio das resistências mobilizáveis.

Em termos geotécnicos, busca-se posicionar o dispositivo de modo que a capacidade máxima de carga do segmento superior seja similar à capacidade máxima do segmento inferior:

• Capacidade ascendente estimada: corresponde ao atrito lateral do trecho superior subtraído do peso próprio da estaca acima da célula.
• Capacidade descendente estimada: corresponde à resistência de ponta somada ao atrito lateral do trecho inferior e ao peso próprio do segmento inferior.

Caso a célula seja instalada em uma posição muito superficial, a resistência lateral superior pode se esgotar precocemente, com o segmento ascendente atingindo deslocamentos excessivos antes que a resistência de ponta do trecho inferior seja devidamente mobilizada. Se for instalada excessivamente próxima à ponta sem consideração do tipo de solo basal, a ponta pode recalcar sem que o atrito lateral superior seja testado até níveis expressivos. Em estacas de grande comprimento que atravessam solos heterogêneos ou embutidas em rocha, é possível projetar arranjos em múltiplos níveis, com células instaladas em cotas distintas para isolar e avaliar diferentes horizontes estratigráficos.

Componentes do sistema e instrumentação de campo

O sistema bidirecional opera como um ensaio de deformação e carregamento rigorosamente monitorado. O conjunto instrumental é composto por elementos robustos capazes de resistir ao ambiente de concretagem e à pressão de trabalho:

• Célula expansiva: formada por pratos metálicos paralelos e diafragmas hidráulicos selados, projetados para abrir sob injeção de óleo a pressões controladas.
• Linhas hidráulicas de alta pressão: tubulações de aço conectadas à célula que sobem fixadas na armadura até o topo da estaca, conectando-se à bomba hidráulica.
• Hastes de referência internas (telltales): tubos de proteção instalados no interior da armadura que abrigam hastes metálicas ancoradas imediatamente acima e abaixo da célula. Essas hastes transmitem até o topo a medição mecânica exata da abertura do dispositivo, desacoplando o deslocamento da expansão estrutural das deformações elásticas do fuste.
• Transdutores eletrônicos de deslocamento (LVDT) ou relógios comparadores: posicionados em vigas de referência de topo para registrar a elevação absoluta do topo da estaca e o movimento das hastes internas.
• Extensômetros elétricos ou cordas vibrantes: dispostos ao longo do fuste em níveis estratégicos para determinar a distribuição do atrito lateral ao longo da profundidade.

Procedimento executivo e normas aplicáveis

A execução da prova de carga bidirecional envolve o planejamento integrado entre a perfuração, armação e concretagem. A gaiola de armadura recebe a célula montada com guias de alinhamento e tubos de passagem para garantir a continuidade do fluxo de concreto. O concreto deve ser lançado através de tubo tremonha que transpõe o plano da célula, assegurando que o elemento inferior e o elemento superior fujam de zonas de segregação ou bolsões de ar.

No âmbito normativo, a realização de provas de carga estáticas em fundações profundas no Brasil é balizada pela ABNT NBR 16903:2020 e exigida sob condições específicas pela ABNT NBR 6122:2022. No entanto, como a NBR 16903 foca predominantemente em ensaios com aplicação de carga no topo, a referência técnica internacional indispensável para ensaios bidirecionais é a norma ASTM D8169/D8169M-26 (Standard Test Procedures for Measuring the Axial Compressive Response of Deep Foundations Elements Under Bi-Directional Static Axial Compressive Load).

O procedimento segue estágios de carregamento lento ou rápido, registrando-se os seguintes parâmetros a cada intervalo:

1. Pressão hidráulica e força correspondente gerada pela célula.
2. Deslocamento ascendente do topo da célula.
3. Deslocamento descendente da base da célula.
4. Deslocamento da cabeça da estaca na superfície.
5. Deformações específicas medidas pelos extensômetros ao longo do fuste.

Interpretação e construção da curva carga-recalque equivalente

Durante o ensaio, os dados brutos geram duas curvas independentes de carga versus deslocamento: a curva de movimento ascendente do fuste superior e a curva de movimento descendente da ponta e fuste inferior. A partir desses dados, os engenheiros geotécnicos realizam a conversão para a tradicional curva carga-recalque de topo (ensaio convencional de topo fictício).

O método analítico mais amplamente aplicado na engenharia foi proposto por John Schmertmann em 1989 e aprofundado por diversos autores, consistindo na soma dos componentes para cada nível de recalque comum:

• Para um dado valor de deslocamento, determina-se a força mobilizada pelo segmento inferior e a força mobilizada pelo segmento superior.
• Calcula-se o encurtamento elástico adicional que o segmento superior sofreria se toda a carga estivesse sendo aplicada no topo, considerando a compressibilidade do concreto e a taxa de transferência de carga por atrito.
• Soma-se a carga do trecho superior com a carga do trecho inferior, ajustando os recalques pelo encurtamento elástico calculado, obtendo-se o comportamento equivalente de carregamento convencional no topo.

Essa interpretação permite aferir não apenas a resistência total mobilizada, mas também individualizar a parcela de atrito lateral e a parcela de resistência de ponta com confiabilidade técnica superior à de provas de carga convencionais não instrumentadas.

Comparação entre métodos de ensaio de carga estática

A escolha entre o método bidirecional e o método de carregamento superficial envolve aspectos geométricos, magnitudes de carga e limitações físicas da obra:

Recomposição estrutural da estaca com grauteamento

Como a célula expansiva se abre durante o ensaio e cria um vazio mecânico no concreto, a estaca ensaiada sofreria uma descontinuidade estrutural caso esse espaço permanecesse aberto. Quando a estaca testada é um elemento de sacrifício, executado apenas para calibração do projeto antes do início das fundações principais, essa condição não interfere na obra.

Contudo, quando o ensaio é realizado em uma estaca de produção que integrará a superestrutura definitiva, o sistema deve ser projetado com dutos de grauteamento pós-ensaio. Concluída a etapa de descarregamento, injeta-se calda de cimento ou graute de alta resistência microexpansivo no interior da célula e no espaço anular aberto entre os pratos metálicos. A injeção controlada restabelece a integridade estrutural do fuste, restabelecendo a transmissão integral das cargas axiais da estrutura permanente para a base da estaca.

Suporte técnico da Geoteste em ensaios de alta capacidade

A Geoteste atua de forma especializada na engenharia de controle e verificação de fundações profundas, oferecendo suporte técnico integral para o planejamento, instrumentação, execução e interpretação de provas de carga bidirecionais. O corpo técnico da empresa atua em conformidade com as normas ABNT NBR 6122:2022, ABNT NBR 16903:2020 e a internacional ASTM D8169/D8169M-26, garantindo rigor na definição da cota de assentamento das células, precisão no monitoramento dos deslocamentos e confiabilidade analítica na geração da curva carga-deslocamento equivalente.

Para viabilizar ensaios estáticos em estacas de grande diâmetro sem as restrições e custos de sistemas externos de reação, conte com a experiência da equipe de engenharia da Geoteste. Entre em contato com nossos especialistas para dimensionar o arranjo de ensaio adequado às particularidades geotécnicas do seu projeto.