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17/08/2018
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Geotecnia de Fundações TC 041
Vítor Pereira [email protected]
Agosto 2018
Curso de Engenharia Civil – 8º Semestre
GRUPO DE ESTACASEfeito de grupo
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Efeito de grupo em estacas
Massa de solo mobilizada
Efeito de grupo em estacas
Problema complexo de interação solo- estrutura edepende de fatores como:• método de instalação da estaca (deslocamento ou
escavada);• modo dominante de transferência de carga (atrito ou
ponta);• tipo de material;• geometria em 3D;• bloco das estacas;• rigidez relativa entre estacas e solo.
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Efeito de grupo em estacas
Interação entre as estacas que compõem uma fundação ao transmitirem ao solo as cargas que lhes são aplicadas
superposição de tensões
Efeito de grupo em estacas
• O recalque e a capacidade de carga de um grupo sãodiferentes dos observados em uma estaca isolada;
• Geralmente, efeito em grupo não precisa ser levado emconsideração quando o espaçamento é maior que 8φ.
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Efeito de grupo em estacas
• Previsões de capacidade de carga e de recalques devemconsiderar o comportamento do grupo!
Efeito de grupo em estacas
RECOMENDAÇÕES DA NBR 6122
• A carga admissível de um grupo de estacas não podeser superior à de uma sapata de mesmo contorno que odo grupo, e assente a uma profundidade acima da pontadas estacas igual a 1/3 do comprimento de penetraçãona camada suporte.
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Efeito de grupo em estacas
RECOMENDAÇÕES DA NBR 6122
Efeito de grupo em estacas
RECOMENDAÇÕES DA NBR 6122
• As recomendações se aplicam também para o caso degrupos de tubulões;
• No caso de conjunto de tubulões de base alargada, averificação deve ser feita em relação a uma sapata queenvolva as bases alargadas e seja apoiada na mesmacota de apoio dos tubulões.
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Efeito de grupo em estacas
CAPACIDADE DE CARGA
Efeito de grupo em estacas
Para os casos onde um grupo de estacas é suportadointegralmente por solo, são sugeridos os seguintes passos:
a)determinar o nível necessário da base da estaca paraevitar recalques excessivos do grupo de estacas (levar emconsideração a viabilidade de construção da estaca comos métodos disponíveis de execução);
b)calcular o diâmetro ou largura necessária, de maneiraque o recalque individual da estaca para determinadacarga de trabalho não irá resultar em recalques excessivosdo grupo de estacas;
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Efeito de grupo em estacas
c) avaliar economicamente a variação do número e dodiâmetro das estacas no grupo para suportar a cargatotal aplicada sobre o conjunto.
O objetivo em geral deve ser manter o menor númeropossível de estacas em um grupo;
� adotar a maior carga de trabalho possível em cadaestaca;
� desta forma será reduzido o tamanho e o custo dobloco de coroamento;
� o recalque do grupo será menor.
Efeito de grupo em estacas
• O modo de ruptura de uma estaca simples muda para omodo de ruptura em bloco a partir de um determinadoespaçamento entre as estacas;
• A possibilidade de ruptura do bloco, ou da linha deestacas, deve ser verificada considerando-se a parcelade atrito e ponta na ruptura, de forma apropriada.
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Efeito de grupo em estacas
• Capacidade de carga de um grupo de estacas érelacionada com o somatório da capacidade de cargadas estacas individuais através da eficiência de grupo;
Efeito de grupo em estacas
GRUPO DE ESTACAS EM SOLOS GRANULARES
• A cravação de estacas ou tubos para estacas em umsolo granular causa a compactação do solo ao redor daestaca em um raio de, pelo menos, três vezes odiâmetro da estaca;
• Desta forma, quando estacas de um grupo são cravadas próximas umas das outras, o solo entre elas e ao redor se torna altamente compactado;
Densificação
Fator de eficiência de grupo >1
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Efeito de grupo em estacas
GRUPO DE ESTACAS EM SOLOS GRANULARES
• Para a cravação de estacas em areias ou cascalhos, omelhor procedimento para evitar o enrijecimento dosolo é realizar a cravação do centro do grupo para asextremidades.
Efeito de grupo em estacas
GRUPO DE ESTACAS EM SOLOS GRANULARES
• O British Standard Code of pratice for Foundations –BS 8004 – recomenda um espaçamento mínimo entre ocentro de estacas de fricção de não menos que operímetro da estaca ou, para estacas circulares, trêsvezes o seu diâmetro;
• Estacas trabalhando apenas por resistência de pontapodem ter o espaçamento reduzido, mas a distânciaentre a superfície de estacas adjacentes não deve sermenor que a sua menor dimensão.
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Efeito de grupo em estacas
50cm
200cm
50cm
200cm
Distância mínima entre centros – estacas retangulares: perímetro da estaca (BS 8004)
Efeito de grupo em estacas
Distância mínima entre centros – estacas circulares:3 x diâmetro da estaca (BS 8004)
150cm
150cm
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Efeito de grupo em estacas
Efeito de grupo em estacas
GRUPO DE ESTACAS EM ARGILAS/SILTES
• Estacas em solos finos geralmente trabalham por atritolateral, portanto a distância mínima entre o centro dasestacas não deve ser menor que o perímetro da estaca,como recomendado pelo BS 8004.
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Efeito de grupo em estacas
Efeito de grupo em estacas
GRUPO DE ESTACAS EM ARGILAS/SILTES
•Em grupos de estacas muito próximas onde argilas molesou siltes encontram-se sobre argila rija, a parte superiorda massa de solo dentro do grupo sofre elevação durante acravação das estacas;
•Quando ocorrer o readensamento haverá atrito negativo.
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Efeito de grupo em estacas
GRUPO DE ESTACAS EM ARGILAS/SILTES
•Quando um projeto requer a cravação de grupos deestacas em argilas firmes a rijas, recomenda-se o usoestacas pré-moldadas de concreto, aço ou comencamisamento metálico que possam ser recravadas senecessário;
•O solo deslocado por estacas cravadas em grupo podecausar altas pressões laterais capazes de danificarestruturas enterradas nas proximidades como bueiros,tubulações de esgoto e túneis.
Efeito de grupo em estacas
Prova de carga em estaca com levantamento de fundo
Prova de carga em estaca isolada
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Efeito de grupo em estacas
RECALQUE EM GRUPO DE ESTACAS
• Relação de recalque (Rs): quociente entre o recalquedo grupo pelo recalque de uma estaca isoladasubmetida a carga média por estaca do grupo;
• Fator de redução do grupo (Rg):
Efeito de grupo em estacas
RECALQUE EM GRUPO DE ESTACAS
• Para um grupo de n estacas tem-se:
Rs = n x RgRs ≈ nʷ
• Fleming et al. (1992, apud DÉCOURT, L., 1998)sugerem que para um grupo de n estacas tem-se:
0,4 < w < 0,6
*na maioria dos casos 0,4 - estacas de atrito0,6 - estacas de ponta
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Efeito de grupo em estacas
CARGA HORIZONTAL EM ESTACAS
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Carga horizontal em estacas
Carga horizontal em estacas
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Carga horizontal em estacas
Carga horizontal em estacas
EDIFÍCIO EM XANGAI
• Em 2009 um edifício de 13 andares, ainda em fase deconstrução, caiu em Xangai, na China
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Carga horizontal em estacas
EDIFÍCIO EM XANGAI
Carga horizontal em estacas
EDIFÍCIO EM XANGAI
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Carga horizontal em estacas
EDIFÍCIO EM XANGAI
Carga horizontal em estacas
RECOMENDAÇÕES NBR 6122
7.6.3.3. Para equilibrar a força horizontal que atua sobreuma fundação em sapata ou bloco, pode-se contar com oempuxo passivo, desde que se assegure que o solo nãovenha a ser removido. O valor calculado do empuxopassivo deve ser reduzido por um coeficiente de nomínimo igual a dois.
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Carga horizontal em estacas
RECOMENDAÇÕES NBR 6122
8.4.2 Esforços transversais
Quando uma estaca ou tubulão ou grupo de estacas está sujeito aesforços horizontais ou momentos, pode ocorrer a plastificação do soloou do elemento estrutural, o que deve ser considerado no projeto,levando-se em consideração as deformações respectivas.
8.4.4 Efeito de carregamento assimétrico sobre solo mole
Estacas ou tubulões (isolados ou em grupo) implantados através decamada de argila mole, submetidos a carregamento de aterro assimétrico,ficam sujeitos a esforços horizontais que devem ser considerados nodimensionamento das fundações.
Carga horizontal em estacas
RECOMENDAÇÕES NBR 6122
E.3.3 Colocação da armadura
No caso de estacas submetidas a esforços de tração, horizontais ou momentos, a armadura deve ser colocada no furo antes da concretagem e presa na superfície de acordo com a cota de arrasamento.
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Carga horizontal em estacas
� Alternativas:• Estacas inclinadas: dificuldade de execução• Estacas verticais: absorver os esforços de flexo-
compressão e/ou flexo-tração
� Avaliar:• Resistência Última do Solo• Carga Última do Elemento Estrutural• Deflexão Máxima
� Verificar condições de Rigidez do Sistema:• Sistema Rígido – Deflexões na estaca não são
problema
Carga horizontal em estacas
• Classificação quanto à rigidez:
Estacas Rígidas
Estacas Semi-Rígidas
Estacas Flexíveis
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Carga horizontal em estacas
• Classificação quanto ao topo:
Estaca engastada Estaca não-engastada
Carga horizontal em estacas
MÉTODO DE WINKLER (1867)
• Comportamento Tensão – Deflexão
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Carga horizontal em estacas
MÉTODO DE WINKLER (1867)
• Modelos de Reação do solo – coeficientes de reaçãohorizontal – Kh;
• O coeficiente de reação horizontal pode serconstante ou variar com a profundidade z
– mh = taxa de crescimento de kh
– nh = taxa de crescimento de kh, incluindo a dimensãotransversal
Carga horizontal em estacas
Coeficiente de reação do solo
• (Terzaghi 1955) - Argilas Pré Adensadas (Khconstante com profundidade)
*Válido para tensões até metade da tensão de rupturado solo.
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Carga horizontal em estacas
Coeficiente de reação do solo
• (Terzaghi 1955) - Areias e Argilas NormalmenteAdensadas (Kh cresce com profundidade) – nh(F/L³)
• Reese et al (1975), sugerem um valor dependente dadensidade relativa
*Valores em MN/³
Carga horizontal em estacas
Coeficiente de reação do solo
• (Terzaghi 1955)– Argilas NA – Longo Prazo:
– Argilas NA – Curto Prazo (CIRIA 1984):
– Se houver E para o solo:
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Carga horizontal em estacas
Coeficiente de reação do solo
• Pyke & Beiake (1985) sugerem que o valor de Eseja o módulo secante correspondente à metade dasolicitação máxima de trabalho, determinando o Kh:
• Faro (2014) afirma que diversos autorescompararam o módulo de elasticidade com omódulo de reação à relação:
Carga horizontal em estacas
MÉTODO DE HETENYI (1956)
• Coeficiente de reação horizontal constante com aprofundidade
– Viga elástica, de comprimento semi-infinito
Rigidez relativa solo-estaca
Sendo:Ep = módulo elasticidade
material da estacaI = momento de inércia da seção
transversal da estaca
Deslocamento topo da estaca:
Momento máximo em z = 0,7/λ:
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Carga horizontal em estacas
MÉTODO DE MATLOCK & REESE (1961)
• Para estacas longas e topo livre, as deflexões (y) emomentos (M) ao longo da estaca são determinadaspelas equações:
• Cy e Cm são obtidos graficamente, onde Z=z/T e Tindica a rigidez relativa estaca-solo
Carga horizontal em estacas
MÉTODO DE MATLOCK & REESE (1961)
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Momento máximo estaca curta (L<1,5T):
Momento máximo estaca longa (1,5T<L<4T):
Deslocamento topo da estaca:
Carga horizontal em estacas
MÉTODO DE MICHE (1930)
• Coeficiente de Reação Horizontal Variável com aProfundidade
– Viga sobre base elástica
Rigidez relativa solo-estaca
Carga horizontal em estacas
MÉTODO DE MICHE (1930)
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Carga horizontal em estacas
MÉTODO DE BROMS (1965)
• Capacidade de carga última do sistema solo – estaca– deformações para a carga de trabalho sejam de tal ordem
que não prejudiquem o funcionamento da fundação ousuperestrutura
• Coeficientes de minoração e majoração:
• Diferentes formulações para diferentes tipos de soloe estaca;
Carga horizontal em estacas
MÉTODO DE BROMS (1965)
Rótulas plásticas
Rotação da estaca
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Carga horizontal em estacas
MÉTODO DE BROMS (1965)• Exemplo: estacas curtas com topo livre em argilas:
Carga horizontal em estacas
MÉTODO DE BROMS (1965)• Exemplo: estacas curtas com topo livre em areia:
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Carga horizontal em estacas
MÉTODO DE BRINCH HANSEN (1961)• Capacidade de carga última do sistema solo – estaca
– Estacas Curtas/Rígidas
Fy = 0 ⇒ Hu = puBdz −0
Zr
∫∑ puBdz
Zr
L
∫
M = 0⇒ Mu = − puBZdz +0
Zr
∫∑ puBZdz
Zr
L
∫
Carga horizontal em estacas
MÉTODO DE BRINCH HANSEN (1961)• Tensões do solo aumentam com a profundidade
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Carga horizontal em estacas
MÉTODO DE BRINCH HANSEN (1961)
• Vantagens:– Aplicabilidade em solos coesivos e coesivo-friccionais;– Permite considerar as estratificações do solo, com a
segmentação dos limites dos integrais nas equações deequilíbrio.
• Desvantagens:– Aplica-se somente a estacas curtas (razão L/B < 20);– Considera rotações ao invés de considerar a formação
de rótulas plásticas no elemento estrutural;– Solução feita por tentativa e erro.
Carga horizontal em estacas
MÉTODO DE FARO (2014)• Estacas Curtas (L/D<7) e Flexíveis (L/D>7);• Considera possibilidade de reforço do solo pra
aumentar a resistência;
( )
++
++
+
=
D
Ef
D
cp
D
cv
L
L
D
DF cimcim
*ln
'cos
1
*
'ln
*
'lnln
2
24
22
2
1
1
2
γφγγ
=
D
L
eLDH
F
ult
ln
5385,1*** 2834,0π
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Carga horizontal em estacas
MEIO CONTÍNUOCOMPORTAMENTO TENSÃO-DEFORMAÇÃO
Carga horizontal em estacas
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Carga horizontal em estacas
COMPARATIVO ENTRE MÉTODOS• Estacas curtas em areia, Silva (2015)
Carga horizontal em estacas
COMPARATIVO ENTRE MÉTODOS• Estaca curta em argila, Silva (2015)
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Carga horizontal em estacas
COMPARATIVO ENTRE MÉTODOS• Estacas Curtas e Longas em Solos Residuais, Faro
(2017)
ENSAIOS DE VERIFICAÇÃO DE INTEGRIDADE
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PIT – Pile Integrity Test
PIT – Pile Integrity Test
Objetivo:
• Avaliar a integridade e comprimento de estacas.
O ensaio:
• Baseia-se na emissão / recepção de pulsos sônicos;
• A onda é gerada através da batida de um martelo demão e se usa, normalmente, um acelerômetro para orecebimento da resposta que é armazenada em umsoftware.
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PIT – Pile Integrity Test
Esquema do ensaio – Propagação de onda
L
t=2L/c
Profundidade
Tempo
Martelo
Acelerômetro
PIT – Pile Integrity Test
Formulação Matemática
Lei de Hooke:
ε=σ Ex
t
t
uE
x
uE
A
F
∆
∆
∆
∆=
∆
∆=
Como:
t
xc
∆∆
= t
uV
∆∆
=
Tem-se:
Vc
EAF =
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PIT – Pile Integrity Test
Formulação Matemática
Onde:
Impedância da estaca
A Área da seção da estaca
c
Velocidade de propagação da onda na estaca:• c = 5120 m/s no aço• c = 3000 a 3400 m/s no concreto armado• c = 3400 a 4000 m/s no concreto protendido
V Velocidade da partícula animada pela passagem da onda
PIT – Pile Integrity Test
Formulação Matemática
Profundidade
Tempo
L
x
2L/c2x/c
Z1
Z2
F1 V1
F1 V1
F2 V2
a a
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PIT – Pile Integrity Test
Quando a onda inicial (F1↓, V1↓) chega à seção a-a, ela será parcialmente
transmitida (F2↓, V2↓) e parcialmente refletida (F1↑, V1↑). As forças e as
velocidades estão em equilíbrio acima e abaixo da descontinuidade, logo:
F = F1↓ + F1↑ = F2↓ (equilíbrio) (1)
V = V1↓ + V1↑ = V2↓ (Compatibilidade) (2)
Resolvendo simultaneamente as equações acima, a força e a velocidade
transmitidas são duas dadas pelas equações:
F2↓ = (2Z2/(Z1+Z2)) F1↓ (3)
V2↓ = (2Z1/ (Z1+Z2)) V1↓ (4)
Substituindo-se F2↓ na equação “1” e V2↓ na equação “2”, a força e a
velocidade são respectivamente.
Formulação Matemática
PIT – Pile Integrity Test
Formulação Matemática
↓+−
↑=
↓+−
↑=
121
211
121
121
VZZ
ZZV
FZZ
ZZF
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PIT – Pile Integrity Test
Interpretação
PIT – Pile Integrity Test
Interpretação• Exemplos:
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PIT – Pile Integrity Test
Interpretação• Kormann (2002):
PIT – Pile Integrity Test
Interpretação
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PIT – Pile Integrity Test
Interpretação• Kormann (2002):
PIT – Pile Integrity Test
Sinal real
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PIT – Pile Integrity Test
Software de interpretação
PIT – Pile Integrity Test
• Vantagens:• Execução fácil e rápida;
• Baixo custo por estaca;
• Pode-se ensaiar todas as estacas da obra � Ensaio não-destrutivo;
• Única técnica para uso intensivo na prática.
• Desvantagens:• Método Indireto – Interpretação Complexa;
• Em estacas esbeltas (L/D > 30) a energia do golpe pode-sedissipar antes de alcançar a ponta;
• Grande interferência da rigidez do solo em torno.
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Ensaio Cross-Hole
Ensaio Cross-Hole
• Objetivo:– Avaliar a integridade e comprimento de estacas.
• O ensaio:– Baseia-se na emissão e recepção de pulsos
ultrassônicos;– Ensaios em pares de tubos, medindo-se o tempo
que o pulso emitido leva para alcançar o receptor.
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Ensaio Cross-Hole
• Detalhes:– As sondas (transmissor e receptor) descem ao longo da estaca por
um tubo instalado durante a concretagem da estaca (tubo preenchidocom água);
– O ensaio está fundamentado no tempo de propagação da onda noconcreto;
– Os tubos são geralmente instalado em um número de 1 a cada 20 ou30 cm de diâmetro da estaca disposto em formato circula ao longoda periferia da estaca.
– O tubos podem ser metálicos ou de PVC (50mm de diâmetro).
• Execução:– Os sensores são movimentados de forma ascendente ao longo da
estaca, de forma manual ou mecanizada, posicionados e efetuada asleituras.
– O ensaio é repetido de modo a varrer todas as combinações deposicionamento.
Ensaio Cross-Hole
Fonte: Kormann, A.C.M. et al (2009) Tomografia de estacas – exemplo do controle de qualidade de fundações profundas – 51º Congresso Brasileiro do Concreto, Ibracon.
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Ensaio Cross-Hole
• Vantagens:– Execução fácil e rápida;– Interpretação objetiva;– Permite a quantificação, extensão e posição das
eventuais anomalias no concreto;– Permite a tomada de decisão tanto no que se refere a
aprovação ou não do elemento estrutural como nadefinição da metodologia ou do procedimento derecuperação;
– Fornece ao executante, contratante e ao projetista umainformação da qualidade da estaca.
Ensaio Cross-Hole
• Desvantagens:– Necessidade de instalar previamente os tubos.
• Interpretação– Com auxílio de software específico é possível analisar
todas as combinações de leituras e gerar uma imagembi ou tridimensional da estaca.
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Ensaio Cross-Hole
Fonte: Kormann, A.C.M. et al (2009) Tomografia de estacas – exemplo do controle de qualidade de fundações profundas – 51º Congresso Brasileiro do Concreto, Ibracon.
Ensaio Cross-Hole
Fonte: Kormann, A.C.M. et al (2009) Tomografia de estacas – exemplo do controle de qualidade de fundações profundas – 51º Congresso Brasileiro do Concreto, Ibracon.
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Ensaio Cross-Hole
Fonte: Kormann, A.C.M. et al (2009) Tomografia de estacas – exemplo do controle de qualidade de fundações profundas – 51º Congresso Brasileiro do Concreto, Ibracon.
Ensaio Cross-Hole
PIT:https://www.youtube.com/watch?v=20KEVCsqb8g
Cross Hole:https://www.youtube.com/watch?v=BizuFqt8X5chttps://www.youtube.com/watch?v=IgNE_fqlRnc
Links para vídeos: