PDI Engenharia

O PIT é um ensaio que visa principalmente determinar a variação ao longo da profundidade das características do concreto de estacas de fundação. A forma usual do ensaio consiste na colocação de um acelerômetro de alta sensibilidade no topo da estaca sob teste, e na aplicação de golpes com um martelo de mão ( foto 1). O acelerômetro é fixado por meio de um material viscoso, geralmente cera de petróleo. Os golpes geram uma onda de tensão, que trafega ao longo da estaca, e sofre reflexões ao encontrar qualquer variação nas características do material (área de seção, peso específico ou módulo de elasticidade). Essas reflexões causam variações na aceleração medida pelo sensor. É feito um registro da evolução dessa aceleração com o tempo (na realidade é mais usual converter-se a aceleração para velocidade, mediante integração do sinal). Como a onda trafega com uma velocidade fixa, conhecendo-se a velocidade de propagação da onda e o tempo transcorrido entre a aplicação do golpe e a chegada da reflexão correspondente à variação de características pode-se determinar a exata localização dessa variação.

É usual a aplicação de vários golpes seqüenciais, para que o equipamento PIT tire a média dos sinais correspondentes. Isso permite a “filtragem” de interferências randômicas, sobressaindo no sinal apenas as variações causadas pelas reflexões da onda.  

O uso mais comum do ensaio PIT é o de detectar falhas na concretagem de estacas de concreto moldadas “in loco”. No entanto, o ensaio pode também ser usado para determinar ou confirmar o comprimento de estacas de concreto.  Ver adiante considerações sobre a precisão dessas medidas. 

Quando uma estaca é atingida pelo impacto de um martelo, uma onda de tensão é gerada. Esta onda se propaga ao longo do fuste com uma velocidade que é função exclusivamente das características do material da estaca. A velocidade de propagação c é dada por:

onde E é o módulo de elasticidade, g é a aceleração da gravidade e   é a densidade do material da estaca.

Para o concreto, a velocidade de onda varia conforme suas características, mas os valores usuais de velocidade de propagação de onda para pequenas deformações (como é o caso do PIT) estão entre 3700 m/s e 4300 m/s, podendo-se dizer que 4000 m/s é um valor médio.

À medida que se propaga, a onda sofre reflexões em seu trajeto. Essas reflexões podem ser provocadas por variações nas características do material da estaca, pela presença de atrito lateral ou resistência de ponta, ou pela própria ponta da estaca. Define-se como “impedância” da estaca ao termo:

   onde Z é a impedância, e A é a área de seção da estaca.

Qualquer variação de impedância ao longo da estaca provoca reflexões da onda. Estas reflexões, ao atingirem o ponto onde está instalado o sensor, provocam uma variação brusca na velocidade de deslocamento da partícula neste ponto. Um aumento de impedância causa uma queda na velocidade, e uma diminuição de impedância causa seu aumento. O final da estaca se comporta como uma grande diminuição de impedância, portanto pode ser visto como um aumento de velocidade. A figura abaixo mostra uma simulação do que acontece no caso de uma estaca que possui uma redução de impedância na metade superior de seu fuste:

A parte superior da figura mostra a evolução da velocidade com o tempo, que é o que mostra o equipamento PIT. Abaixo, em cores, está a trajetória da onda. Como pode ser visto, ao alcançar a diminuição de impedância parte da onda é refletida, e parte prossegue até a ponta, onde é novamente refletida. Na figura acima já aparece uma das dificuldades na interpretação dos sinais do PIT: ao alcançar o topo, a parcela da onda que foi refletida pela irregularidade é novamente refletida, retornando à irregularidade onde é mais uma vez refletida para retornar ao topo. Isso causa mais um aumento na velocidade, que poderia ser confundido com uma segunda irregularidade. Portanto, qualquer irregularidade ocorrendo acima da metade do fuste da estaca torna difícil a detecção de outros eventuais danos ocorrendo abaixo dessa irregularidade. Vamos analisar agora o que acontece no caso de uma estaca que possui um alargamento também a partir de algum ponto situado acima do meio da estaca.

Pode-se ver que agora a reflexão causada pela irregularidade é voltada para baixo, enquanto que as reflexões secundárias provocadas pela irregularidade são voltadas ora para cima ora para baixo. Finalmente, vamos ao caso de um estreitamento situado na metade superior da estaca:

Por analogia, pode-se concluir que caso a estaca tenha um alargamento ao invés de estreitamento, o sinal de velocidade apresentaria um pico para baixo seguido de um pico para cima. Portanto, para localização de estreitamentos, que é geralmente o que causa preocupação, deve-se buscar picos voltados para cima, seguidos (ou não) de picos voltados para baixo. Picos na ordem inversa a essa significariam alargamentos, que normalmente não preocupam. 

Não. Para determinação da capacidade de carga da estaca devem ser usados outros processos, como o Ensaio de Carregamento Dinâmico ou Prova de Carga Estática. 

O ensaio PIT é baseado numa teoria conhecida há muito tempo. Contudo, somente com o progresso da eletrônica e da computação foi possível começar-se a tirar proveito dessa teoria. No início, sistemas rudimentares eram usados a nível de pesquisa, consistindo de acelerômetros conectados a complicados sistemas amplificadores, cujos sinais eram visualizados em osciloscópios tipo “storage”. O sinal obtido tinha que ser fotografado para posterior análise. Com o tempo, foram construídos equipamentos específicos, dotados de recursos tais como cálculo da média de vários sinais, filtros digitais, etc. Paralelamente, foram desenvolvidos programas de computador para auxílio no diagnóstico (análise no domínio da freqüência, determinação do provável perfil da estaca, etc.). O PIT foi inicialmente usado e desenvolvido na Europa, onde era maior a demanda por ensaios de estacas escavadas. Somente no final da década de 1980 surgiu o primeiro equipamento desenvolvido pela PDI norte americana, e o ensaio começou a se popularizar naquele continente. No Brasil, o primeiro equipamento PIT foi trazido pela PDI ENGENHARIA no início da década de ’90.

Para que o ensaio PIT possa ser realizado, é necessário que a estaca tenha uma área de seção que permita a colocação do sensor, a aplicação dos golpes e a propagação da onda. Isso dificulta a aplicação deste método em estacas metálicas. Nesse tipo de estaca, mesmo que se consiga posicionar os sensores e aplicar os golpes, a pequena área de seção em relação ao comprimento implica numa rápida dissipação da onda, tornando-se difícil detectar-se a reflexão da ponta. No caso de estacas pré-moldadas de concreto, essas considerações muitas vezes também se aplicam. Além disso, esse tipo de estaca costuma ter emendas. Se o contato de dois elementos emendados for absolutamente perfeito, a onda será capaz de passar pela emenda sem sofrer qualquer reflexão. No entanto, um contato perfeito na prática é impossível. Quanto maior o percentual de superfície em contato, menor a reflexão, e melhor deverá funcionar o ensaio. Em certos casos, porém, principalmente se a emenda estiver numa região de forte atrito, a parcela da onda que passa pela emenda poderá ser pequena demais para que o equipamento seja capaz de detectar suas reflexões. Nestes casos, a estaca parecerá interrompida na emenda, quando na realidade isso não ocorre. Outra dificuldade está em estacas que apresentam várias variações de impedância ao longo do fuste. É o caso por exemplo de estacas tipo raiz. As reflexões secundárias provocadas pela primeira grande variação de área de seção que a onda encontrar podem tornar muito difícil o diagnóstico da estaca abaixo desse ponto.

Em resumo, o ensaio PIT é ideal para estacas moldadas “in loco” em geral, excetuando-se estacas raiz. Como regra geral, o ensaio tem funcionamento ótimo se a relação entre o comprimento e o diâmetro da estaca não for muito superior a 30. Se a estaca for vazada, deve-se tomar como diâmetro o de uma seção com área equivalente. Para o comprimento, pode-se deduzir trechos em água ou que atravessem regiões de solo sem atrito lateral. Isso não significa que o ensaio não possa ser feito em estacas que não atendam a esses critérios. Entretanto, nesses casos o diagnóstico poderá se limitar a um certo comprimento de estaca, ou terá que ser aceita a possibilidade do resultado não vir a ser conclusivo.

A parte talvez mais importante para o sucesso do ensaio PIT é o preparo da estaca. É necessário primeiramente eliminar todo o concreto de má qualidade porventura existente no topo. Em seguida é necessário criar uma superfície plana e lisa com uma lixadeira ( foto 2). O topo da estaca deverá estar perfeitamente acessível e seco ( foto 3). Caso já tenha sido lançado o concreto da base do bloco (“magro”), a estaca terá que ser isolada dessa base, mediante a quebra de uma estreita região em volta da estaca. Não tem importância se houver água ao redor da estaca, contanto que o topo da mesma esteja seco, e que seja possível o acesso do operador. De maneira alguma pode ser usada argamassa ou qualquer outro material no topo da estaca. O acelerômetro e os golpes têm que ser aplicados em material idêntico ao do restante da estaca.

Não é requisito do ensaio que as estacas tenham sido cortadas até a cota de arrasamento. Entretanto, sugere-se que sempre que possível o ensaio seja feito com as estacas já nessa situação. A principal razão para isso é que, caso seja detectado algum problema mais sério entre o topo do ensaio e a cota de arrasamento, poderá ser impossível para o ensaio determinar o estado da estaca abaixo do dano. Com isso, o ensaio terá que ser repetido para essa estaca.

O processo de cura do concreto muitas vezes não é homogêneo ao longo do fuste da estaca. Assim, se for tentado o ensaio em estaca ainda em processo de cura, poderão ocorrer variações de resistência do concreto ao longo do fuste, e essas serão detectadas pelo ensaio como possíveis danos. Por essa razão, recomenda-se esperar até que o concreto atinja pelo menos sua resistência nominal, antes de ensaiar a estaca.

Uma das dificuldades originais do ensaio PIT era a de detectar danos próximos da cabeça, pois as reflexões correspondentes a esses defeitos chegam ao topo enquanto ainda perdura o pico referente ao golpe do martelo. Para compensar essa dificuldade foi idealizado o PIT-FV, que acrescenta o sinal da força aplicada pelo martelo ao sinal de velocidade tradicional. A força aplicada pelo martelo é medida através de um acelerômetro acoplado ao mesmo. O sinal desse acelerômetro é multiplicado pela massa do martelo, para obtenção da força, e o valor assim obtido é dividido pela impedância da estaca, para exibição junto com o sinal de velocidade. Para o cálculo da impedância, o equipamento usa a velocidade de onda e a área de seção do topo informada pelo operador, e assume um peso específico padrão para o concreto da estaca.

Pode-se provar que a velocidade e a força dividida pela impedância serão coincidentes, sempre que não houver reflexão da onda. No momento que chega ao topo alguma reflexão, essa coincidência (chamada “proporcionalidade” entre força e velocidade) deixará de existir. O sinal de força somente será maior que zero enquanto o martelo estiver em contato com a estaca. Esse é exatamente o período de tempo correspondente ao pulso inicial de velocidade. Portanto, se os sinais de força e velocidade forem perfeitamente coincidentes durante o tempo em que a força for maior que zero, isso significa que a estaca não possui qualquer variação de impedância ao longo do comprimento equivalente ao deslocamento da onda nesse tempo. Por outro lado, se em algum instante a velocidade for maior do que a força, isso significa que há uma diminuição de impedância. Já um sinal de velocidade menor do que o de força significa um aumento de impedância.

Sim, apesar de que em geral os sinais obtidos nessas condições são de mais difícil interpretação. O aconselhável nesses casos é se necessário acessar o fuste através de escavação, e fazer um “nicho” no mesmo para colocação do sensor e aplicação dos golpes. ( croquis;  foto). Os golpes podem ser aplicados no topo do bloco, com piores resultados.

O ensaio PIT tem vantagens que o tornaram muito popular:

• Execução extremamente rápida. Estando as estacas preparadas, não é incomum fazer-se mais de 50 ensaios por dia.
• É capaz de detectar danos na superfície do fuste.
• Não exige preparo durante a execução da estaca. Assim, pode ser feito em qualquer estaca da obra.
• Equipamento leve e portátil, exigindo um mínimo de recursos da obra durante os ensaios.
• Das poucas maneiras existentes para obter informações sobre a integridade das estacas, o PIT é sem dúvida a mais rápida e barata.

Em contrapartida, esse ensaio tem algumas desvantagens e limitações:

• Pouca precisão na avaliação da intensidade do dano. Isso pode fazer com que sejam detectados danos que não comprometeriam a utilização da estaca, com conseqüente perda de tempo para a obra.
• Dificuldade de detecção de segundo dano abaixo de uma grande variação de características do material da estaca.
• Difícil interpretação dos sinais obtidos em alguns casos, inclusive por influência do atrito lateral (que também provoca reflexões da onda).
• Impossibilidade de distinguir entre variação de área de seção e variação de qualidade do concreto (peso específico e/ou módulo de elasticidade).
• Limitação de comprimento da estaca (30 vezes o diâmetro equivalente).
• Dificuldade de detecção de dano muito próximo da ponta.

Não existe ainda norma brasileira específica para o ensaio PIT. A NBR 6122 especifica que “No caso de estacas escavadas executadas com lama bentonítica, recomenda-se a realização de ensaios de integridade em todas as estacas da obra”. A nível internacional, citamos as seguintes normas:

• Alemanha (Recomendação da DGGT para futura inclusão na norma DIN)

• Austrália (AS2159-1995)
• China (JGJ 93-95)
• Estados Unidos (ASTM D-5882-96)
• França (Norme Française NFP 94-160-2; NFP 94-160-4)
• Inglaterra (Specification for Piling – Institution of Civil Engineers – capítulo 11.2)

A precisão do ensaio PIT é em geral muito boa na determinação da localização do dano, principalmente se for possível ver uma clara reflexão de ponta, e se o comprimento da estaca for conhecido com exatidão. Com isso, será possível determinar a exata velocidade de propagação da onda no material da estaca. Caso essa velocidade não possa ser determinada, pode-se usar uma velocidade típica para as estacas da obra, com pequena diminuição da precisão.
Caso se deseje saber o comprimento de uma estaca, uma maneira de determinar a velocidade de propagação da onda com precisão é a de instalar um segundo acelerômetro no fuste da estaca, a uma distância conhecida do topo. Aplicando-se um golpe no topo da estaca, se for possível ver a reflexão da ponta será possível medir o tempo decorrido entre a passagem da onda pelo acelerômetro e a chegada da reflexão de ponta, tempo esse que é o que a onda leva para percorrer o comprimento total da estaca menos a distância abaixo do topo onde foi instalado o sensor. Através do sensor colocado no topo ter-se-á o tempo decorrido entre o golpe e a reflexão de ponta, para o comprimento total da estaca. Isso permite montar um sistema de duas equações com duas incógnitas (comprimento da estaca e velocidade de propagação da onda). Quanto mais distante do topo for instalado o segundo sensor, maior a precisão da medida. Existem acelerômetros especiais, dotados de um anel que permite sua fixação por parafuso no fuste da estaca.

No que tange à determinação da intensidade de eventual dano, porém, o ensaio PIT é bastante impreciso. Mesmo recursos como o programa PROFILE fornecem resultados apenas aproximados, e não funcionam em todos os casos. A interpretação do sinal do PIT não é unívoca, ou seja, existe mais de um conjunto estaca-solo capaz de gerar um determinado sinal de velocidade. Assim, deve-se sempre ter em conta que a presença de solo muito rígido firmemente agregado à estaca, ou até a presença de rocha, pode causar um falso aumento na impedância da estaca na região de um eventual dano ou falha. Por outro lado, a súbita diminuição do atrito lateral provocado pelo solo pode ser interpretada como uma redução de impedância.

É um tema controverso. Alguns consultores são entusiastas do método, e outros o vêm com reservas. Existem histórias de sucessos e fracassos para justificar essas duas atitudes. Acreditamos que o PIT é uma ferramenta útil, mas não pode ser visto como uma verdade absoluta. Tampouco pode exigir-se que o PIT forneça resultados sempre conclusivos e incontestáveis. Entretanto, é um ensaio muito útil para detectar falhas que de outra maneira passariam despercebidas, muitas vezes com grave risco para a estabilidade da construção.

Sobre esse assunto é interessante o que diz a norma americana: “O teste de integridade pode não identificar todas as imperfeições, mas pode ser uma ferramenta útil para identificar grandes defeitos dentro do comprimento efetivo. Também, o teste pode identificar pequenas variações de impedância que talvez não afetem a capacidade de carga da estaca. Para estacas que têm pequenas variações de impedância, o engenheiro deve usar seu julgamento quanto à aceitabilidade das mesmas, considerando outros fatores como redistribuição de carga para estacas adjacentes, transferência de carga ao solo acima do defeito, fatores de segurança aplicados e requisitos de carga estrutural.”

Acreditamos que o PIT é adequado para testar uma grande quantidade ou até mesmo todas as estacas de concreto em uma obra, aumentando indiscutivelmente a confiabilidade da fundação. Dos métodos de ensaio de integridade disponíveis, ele é o mais rápido e o que exige menor preparo prévio da estaca.

Além do PIT (as vezes chamado também de método sônico, ou “sonic echo”), são mencionados os seguintes processos que também permitem determinar a integridade de estacas de fundações:

1. Método de resposta transiente (“transient response method” ou “impulse response method”) – utiliza o mesmo equipamento que o PIT, porém interpreta os sinais no domínio da freqüência. O programa PIT-W Professional normalmente usado na interpretação dos sinais do PIT possui a possibilidade de análise no domínio da freqüência, portanto na realidade este método pode ser usado em qualquer ensaio efetuado com martelo instrumentado (PIT-FV). O método foi desenvolvido por Paquet em 1968 para permitir o controle de qualidade do grande número de estacas escavadas utilizadas na França, com a intenção de tornar o PIT mais informativo, principalmente levando em conta o perfil naturalmente irregular deste tipo de fundação. Inicialmente, o método consistia em vibrar uma massa no topo da estaca até uma freqüência da ordem de 2000 Hz e medir a resposta da estaca por meio de um geofone. Atualmente a excitação de freqüência variável é fornecida pelo golpe do martelo de mão, o qual induz uma vibração transiente com componentes de freqüência adequados para o ensaio. O método de resposta transiente é pouco empregado entre nós.
2. Ensaio “cross-hole” ou “sonic logging” – exige que a estaca seja concretada com pelo menos dois tubos metálicos ou de PVC no seu interior. Após a cura do concreto os tubos são cheios com água, e posteriormente um emissor de ultra-som é baixado através de um dos tubos, ao mesmo tempo que um receptor é baixado pelo outro tubo. A análise se baseia no fato de que o tempo entre a emissão e a recepção e a intensidade do sinal recebido dependem da qualidade do material atravessado pelo ultra-som. Este método tem algumas vantagens sobre o PIT, entre as quais: 1) sensibilidade independente do comprimento; 2) possibilidade de detecção de múltiplos danos; 3) possibilidade de detecção de danos perto da ponta; 4) insensibilidade a variações de resistência do solo. A grande desvantagem deste método é a exigência dos tubos (para estacas de maior diâmetro são exigidos três, quatro ou mais), porém pode-se citar também: 1) incapacidade de detectar danos fora do alcance dos tubos; 2) maior tempo de execução de cada ensaio; 3) maior custo. Para estacas de pequeno diâmetro é possível o ensaio usando um só tubo, o que pode ser interessante para estacas raiz. O método foi usado algumas poucas vezes no Brasil. A Pile Dynamics fabrica um equipamento de “cross-hole” denominado CHA.
3. Método sísmico paralelo (“parallel seismic”) – foi desenvolvido na França em meados dos anos ’70, objetivando principalmente a determinação da integridade de estacas em estruturas já existentes. Requer que seja escavado um furo de sondagem adjacente à estaca a ser testada, com profundidade um pouco maior do que a prevista para a mesma. Um tubo de ponta fechada é então introduzido no furo, e posteriormente cheio com água. Um sensor especial (hidrofone) é baixado até o final do tubo, e levantado em incrementos de comprimento fixos, enquanto a estrutura é golpeada o mais próximo possível da estaca. O tempo decorrido entre o golpe e o recebimento do sinal pelo hidrofone é medido para cada incremento, e a variação deste tempo com o comprimento é determinada. Esta variação será linear, a menos que a onda tenha que atravessar algum defeito, ou quando o final da estaca for alcançado. Não temos conhecimento da aplicação deste método no Brasil.
4. Ensaio de alta deformação (“high strain integrity testing”) – é na realidade um ensaio de carregamento dinâmico, executado com a finalidade de determinar a integridade da estaca. Exige a aplicação de um golpe com martelo pesado e a colocação de sensores de força e velocidade no fuste da estaca. Por utilizar martelo pesado não possui as limitações do PIT em termos de comprimento máximo, e por utilizar sinal de força é capaz de também fornecer dados quantitativos de eventuais danos.
5. Obtenção de testemunhos por meio de broca (“core drilling”) – é um tradicional método de verificação de integridade, cuja eficiência depende da verticalidade do furo e da coincidência da passagem da broca pela região do dano.

Deve-se também mencionar a prova de carga estática como um método de avaliação do comportamento da estaca submetida a carregamento real, o que também fornece informações quanto a sua integridade.