Detecção Não Destrutiva do Comprimento da Estaca para Alta

Um novo método de teste permitirá que o MnDOT determine as profundidades das estacas de fundação subterrânea de torres de luz de mastro alto (HMLTs) sem cavar ou desmontar. Os HMLTs precisam atender aos padrões de projeto para garantir a estabilidade do suporte de carga. Ao usar o novo método para avaliar a profundidade da estaca, o MnDOT pode evitar retrofits ou substituições dispendiosas e priorizar as torres de iluminação que precisam de redesenho.

Centenas de torres de luz de alto mastro (HMLTs) estão instaladas em Minnesota, e muitas estão instaladas há várias décadas. O Escritório de Pontes e Estruturas do MnDOT tem a tarefa de garantir que as torres e suas fundações atendam às especificações atuais de projeto de fator de carga e resistência (LRFD) da AASHTO e redesenhá-las, se necessário.

Para fazer essa determinação, os engenheiros precisam entender a estrutura, geometria e dimensões das fundações HMLT. Embora as fundações HMLT de Minnesota sejam geralmente projetadas com um bloco de concreto triangular preso em seus vértices por três estacas embutidas angularmente, os detalhes podem ser desconhecidos porque a documentação da construção e os dados do solo para muitas torres estão faltando.

"Tem sido um desafio monitorar torres de iluminação de alto mastro para garantir que os padrões de projeto atuais sejam atendidos. Mas testes de campo bem-sucedidos e uma análise aprofundada resultaram em uma ferramenta muito útil e econômica", disse Rich Lamb, engenheiro de fundações, MnDOT Escritório de Materiais e Pesquisa Rodoviária.

Se uma fundação HMLT atende às especificações LRFD depende da profundidade das estacas. Sem registros de construção ou outras evidências da profundidade da estaca, as fundações precisariam de uma reforma ou substituição dispendiosa para garantir que os padrões de projeto sejam atendidos.

Outros programas MnDOT vêm explorando ou implementando várias tecnologias de sensoriamento remoto ou não destrutivo para inspeção de ativos. A agência queria uma ferramenta de triagem para identificar comprimentos de pilha no local para priorizar efetivamente quais HMLTs precisam de atenção.

O objetivo deste projeto foi desenvolver um método não destrutivo, incluindo hardware e análise de dados off-line, para determinar comprimentos de estacas no local.

A equipe de pesquisa usou uma abordagem multifacetada para criar uma técnica de campo que detectasse o comprimento das estacas de fundação no subsolo. Os membros da equipe identificaram uma metodologia de detecção baseada em duas técnicas vibratórias mecânicas: uma vibração em estado estacionário de um agitador de pistão pneumático e um único impacto de martelo em uma placa de montagem.

Ambos os métodos aplicaram a vibração acima da haste da estaca. Um penetrômetro de cone sísmico inserido no solo testou o perfil do solo - ou estratificação - e foi equipado com um transdutor de movimento em sua ponta. Uma haste de aço separada inserida entre o maciço e a fonte de vibração forneceu uma conexão física para as vibrações mecânicas serem transmitidas através da estaca. Devido ao alto contraste de impedância sísmica entre a estaca e o solo circundante, as ondas sísmicas causadas pelas vibrações são transmitidas para o fundo da estaca e para o solo circundante. Os dados das ondas captados pela instrumentação são usados ​​para ajudar a estimar o comprimento da estaca.

Depois de revisar os dados limitados de construção existentes nos projetos de fundação HMLT de Minnesota e nas características do solo, os pesquisadores criaram um modelo computacional para simular e analisar em 3D a interação entre o solo e as estacas no contexto da metodologia de detecção e, finalmente, a correlação entre a forma de onda padrões e profundidade da pilha. O modelo também informou os parâmetros de teste mais eficazes para os dois métodos, incluindo a frequência de vibração ideal e a localização dos sensores sísmicos.

"Embora nosso método possa parecer caro - US$ 5.000 para analisar uma torre individual - ele tem o potencial de economizar até US$ 8 milhões para os contribuintes de Minnesota, pois custa aproximadamente US$ 40.000 para substituir uma fundação HMLT", Bojan Guzina, professor do Departamento de Civil da Universidade de Minnesota , Ambiental e Geo-Engenharia.

A equipe de pesquisa projetou redes neurais profundas – conjuntos de algoritmos – para interpretar os dados vibratórios e de impacto do martelo em relação à profundidade da estaca. Embora dados de campo adequados sejam normalmente necessários para criar um algoritmo de aprendizado de máquina, os pesquisadores usaram milhares de simulações de modelo como dados de treinamento de proxy.