2. TORRES E POSTES DE GRANDE ALTURA
2.5. S OLUÇÕES DE FUNDAÇÕES
As soluções de fundações para torres e postes autoportantes principais são idênticas às soluções convencionais dentro do campo engenharia. A grande função da fundação é transferir os esforços, provenientes da superestrutura, ao solo de modo a garantir que não ocorram grandes movimentos nesta última. O colapso da torre por rotura da fundação neste tipo de estruturas é raro. No entanto, para torres deste tipo, a segurança ao arranque da fundação e ao derrubamento por rotação devido a um momento podem ser bastante relevantes, em alguns casos tornando-se condicionante no dimensionamento da fundação.
A escolha do tipo de fundação depende do tipo de torre, da magnitude e tipo da força aplicada, das características do solo e das possibilidades de instalação da fundação (Kiessling, 2003). O livro Communication Structures (Smith, 2007) separa os tipos de fundação por mecanismo de derrube, em três grandes casos:
1. Arranque;
2. Momento de derrube;
3. Carga vertical de compressão.
FUNDAÇÕES PARA RESISTIR AO ARRANQUE
2.5.1.
Normalmente a resistência ao arranque é crítica em torres com dimensões de base suficientes para que a estrutura detenha uma fundação individual por perna. Isto fará com que o momento aplicado na fundação, criado pelos esforços horizontais no topo da torre, se transforme num binário e com que certas pernas estejam à compressão e as restantes à tração. Estes esforços de tração podem ser
elevados de tal forma que as fundações tracionadas sejam arrancadas do terreno. No arranque mobilizam-se cunhas de rotura à volta do elemento de fundação. O peso das terras que engloba essas cunhas de rotura é contabilizado como uma resistência ao arranque.
Moldando a geometria da fundação, neste caso aplicado a sapatas, é possível obter acréscimos de resistência. Uma solução é a utilização da sapata em forma de pirâmide ou através de patamares Fig. 2.7a) – um conjunto sucessivo de capitéis – que permite uma fundação menos profunda e garante um peso significativo de terras sobre a mesma, de modo a contrariar a força de arranque. Quanto a esta solução será necessário ter em conta o feito de punçoamento nos vários patamares da sapata. Outra solução seria o aumento da base da fundação em profundidade Fig. 2.7 b), criando uma espécie de encastramento que lhe confere maior resistência ao arranque e menos deslocamentos até ao momento em que se materializa a rotura. Ensaios indicam que a utilização desta solução garante uma resistência ao arranque duas a três vezes maior que no caso de uma fundação com largura uniforme em profundidade (Smith, 2007). No entanto, é difícil contabilizar teoricamente este acréscimo de resistência, pelo que é necessário um estudo caso a caso, de forma a comprovar a importância do mesmo.
Fig. 2.7 – Soluções de fundações: a) Com patamares e b) Com aumento cónico da base
FUNDAÇÕES PARA RESISTIR AO MOMENTO DE DERRUBE
2.5.2.
Quando a fundação sofre rotação devido aos esforços horizontais, o solo lateral resiste ao movimento através dos impulsos passivos gerados. Quanto maior for a altura da fundação mais reação lateral se obtém do solo de fundação. O cálculo da resistência do solo não é de fácil obtenção, existindo algumas metodologias que a estimam. Normalmente assume-se que a fundação é rígida, que a curva de pressões é uma parábola e que a resistência passiva do solo varia em profundidade (Smith, 2007). Alguns métodos serão apresentados no ponto 3.4.
Um bom elemento de fundação para estes casos é o bloco de fundação [Fig. 2.8 b)] que engloba a capacidade de carga na base da fundação de uma sapata e a resistência lateral do terreno, próprio de um elemento de fundação com uma altura significativa, como é o caso de uma estaca. Outra solução seria uma sapata comum a todas as pernas que, apesar de não ter contribuição lateral por parte do terreno, devido à sua dimensão de base permite que a zona mais carregada do solo – a excentricidade da carga fará com que apenas um dos lados do solo de fundação esteja a ser comprimido – seja suficiente para criar resistência ao derrubamento. É possível também a utilização de estacas por perna [Fig. 2.8 a)] que, tal como o bloco de fundação, através da sua altura, criam uma reação passiva do solo lateral que estabiliza os esforços aplicados à fundação e segregam o momento num binário de forças, redistribuído pelas várias estacas. Esta última solução requer um estudo mais complexo e necessita do acompanhamento de ensaios in-situ em estacas modelo. É normalmente utilizado por questões tecnológicas e económicas em solos que apresentam bastante água ou quando as camadas
superficiais são de muito fraca resistência, encontrando apoio numa camada muito resistente (firme) a maior profundidade. Como se percebe, se essa camada mais resistente se encontrar a profundidades muito elevadas o custo da fundação sobe exponencialmente.
Fig. 2.8 – Soluções de fundações: a) Estacas e b) Bloco de fundação
FUNDAÇÕES PARA RESISTIR ÀS CARGAS VERTICAIS DE COMPRESSÃO
2.5.3.
Este tipo de fundações é o mais convencional e é utilizado em estruturas em que a carga vertical se revela uma grande condicionante no dimensionamento, apresentando ou não excentricidade. São elementos de fundação muito comuns em torres muito pesadas ou mastros tubulares.
Um exemplo de fundação para resistir a este tipo de esforços é um maciço de betão assente numa base com uma dimensão superior – que trabalha como uma sapata – com uma dimensão suficiente para redistribuir a carga pelo solo de modo a que o mesmo não entre em rotura. A altura do maciço permite contrariar os efeitos adversos que a excentricidade possa trazer à fundação, através da contribuição do efeito passivo das paredes laterais do solo Fig. 2.9. Este tipo de fundação é muitas vezes utilizado quando não é possível betonar-se o elemento de fundação diretamente no terreno, perdendo-se assim a adesão entre o betão e o solo (é o caso de solos muito colapsáveis ou zonas com presença de água). Neste caso o alargamento da base confere maior estabilidade à fundação e garante um acréscimo de resistência ao carregamento.
Fig. 2.9 – Bloco de fundação com alargamento da base b)
FUNDAÇÕES METÁLICAS
2.5.4.
As fundações metálicas, em detrimento do betão, vão sendo cada vez mais utilizadas, tanto por questões económicas, como por facilitação da implantação da fundação. Uma solução de fundações deste tipo são as grelhas metálicas. É ainda uma solução pouco utilizada e tem a desvantagem de ser uma estrutura metálica dentro do solo – com risco de sofrer corrosão – mas podem ser estruturas competitivas economicamente em relação ao betão.
As grelhas metálicas correspondem a uma malha metálica formada por cantoneiras, perpendiculares umas às outras, e com perfis metálicos verticais – que acompanham a inclinação das pernas da torre – que ligam as cantoneiras às pernas da torre. É uma solução mais leve, comparada com uma fundação em betão, o que se torna vantajoso para solos com baixa capacidade de carga, mas desvantajoso aquando do arranque do elemento de fundação. Apresenta ainda a vantagem de não haver espera na sua implantação, ao contrário de uma solução em betão que necessita da colocação de cofragens e do tempo de cura do material.
Sendo uma estrutura toda em aço, possibilita o fabrico deste tipo de fundações por parte das empresas que fabricam as torres metálicas, evitando o recurso a empresas especializadas em betão armado. A utilização deste tipo de fundação pode ser como um elemento comum a toda as pernas da torre, bem como com elementos independentes por perna (caso mais utilizado). A Fig. 2.10 apresenta este tipo de fundação como solução em que duas pernas são fundadas na mesma grelha.
Fig. 2.10 – Solução por grelha metálica – duas pernas ligadas ao mesmo elemento de fundação (imagem cedida pela Metalogalva)