UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CAMPUS REITOR JOÃO DAVID FERREIRA LIMA
CENTRO TECNOLÓGICO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
VINICIUS SENGER RAYES
DIMENSIONAMENTO DE ESTACAS COMO ELEMENTO DE FUNDAÇÃO PARA TORRE DE LINHA DE TRANSMISSÃO: UMA ADAPTAÇÃO DO MÉTODO DE
GRENOBLE PARA SOLOS ESTRATIFICADOS
FLORIANÓPOLIS 2021
VINICIUS SENGER RAYES
DIMENSIONAMENTO DE ESTACAS COMO ELEMENTO DE FUNDAÇÃO PARA TORRE DE LINHA DE TRANSMISSÃO: UMA ADAPTAÇÃO DO MÉTODO DE
GRENOBLE PARA SOLOS ESTRATIFICADOS
Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação em Engenharia Civil submetido ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a obtenção do título de Engenheiro Civil.
Orientador: Prof.ª Patrícia de Oliveira Faria, PhD.
FLORIANÓPOLIS 2021
Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor,
através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária da UFSC.
Rayes, Vinicius Senger
Dimensionamento de estacas como elemento de fundação para torre de linha de transmissão : Uma adaptação do método de Grenoble para solos estratificados / Vinicius Senger Rayes ; orientador, Patrícia de Oliveira Faria, 2021.
150 p.
Trabalho de Conclusão de Curso (graduação) -
Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Graduação em Engenharia Civil, Florianópolis, 2021.
Inclui referências.
1. Engenharia Civil. 2. Fundações. 3. Linha de
transmissão. 4. Tração vertical. 5. Método de Grenoble. I.
Faria, Patrícia de Oliveira. II. Universidade Federal de Santa Catarina. Graduação em Engenharia Civil. III. Título.
VINICIUS SENGER RAYES
DIMENSIONAMENTO DE ESTACAS COMO ELEMENTO DE FUNDAÇÃO PARA TORRE DE LINHA DE TRANSMISSÃO: UMA ADAPTAÇÃO DO MÉTODO DE
GRENOBLE PARA SOLOS ESTRATIFICADOS
Este Trabalho Conclusão de Curso foi julgado adequado para obtenção do Título de Engenheiro Civil e aprovado em sua forma final pelo Departamento de Engenharia
Civil.
Florianópolis, 07 de maio de 2021.
________________________
Prof. Liane Ramos da Silva, PhD.
Coordenador do Curso
Banca Examinadora:
________________________
Prof.ª Patricia de Oliveira Faria, PhD.
Orientadora
Universidade Federal de Santa Catarina
________________________
Prof.ª Gracieli Dienstmann, PhD.
Avaliadora
Universidade Federal de Santa Catarina
________________________
Prof. Jano D'araujo Coelho, PhD.
Avaliador
Universidade Federal de Santa Catarina
Este trabalho é dedicado aos meus pais, amigos, professores, colegas de trabalho e demais familiares.
“Uma longa jornada começa sempre pelo primeiro passo...”
AGRADECIMENTOS
Agradeço em primeiro lugar a toda minha família, e em especial, com um grande reconhecimento a meus pais: Stela e Fausi. Não há palavras suficientes para descrever o amor e carinho que sinto por ambos! Acredito que seja impossível de expressar toda minha gratidão pelo incentivo, apoio, paciência, e oportunidades que recebi durante toda minha vida, até o presente momento. Agradeço muito por sempre terem me concedido as melhores condições possíveis de qualidade de vida e educação.
Agradeço a todos os professores do departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina pelos ensinamentos passados ao longo dessa etapa de graduação.
Registro também um agradecimento a todos os grupos pelos quais tive a oportunidade de participar como bolsista e estagiário, desde o PET-ECV, GeoEnergy Engenharia, LabTrans, SETA Engenharia, Lemon Incorporadora até à TRACTEBEL Engineering, pois todos foram responsáveis pela minha capacitação profissional e desenvolvimento pessoal.
Agradeço também a todos os demais familiares que contribuíram de certa forma à realização desse trabalho.
Agradeço a minha namorada Vitória pelo imenso amor, carinho, apoio e paciência durante todo o período em que dediquei na realização desse trabalho.
Por fim, agradeço a todos os meus amigos em geral, por todas as experiências vividas neste período de graduação, desde os vários momentos de descontração até os inúmeros momentos de união para estudos e trabalhos em grupo ao longo das madrugadas.
RESUMO
No presente trabalho, foram abordados os aspectos característicos relativos aos empreendimentos de linhas de transmissão, pois o dimensionamento geotécnico e estrutural dos elementos de fundação para sustentação das torres costuma ocorrer de forma distinta de projetos usuais. Para maior agilidade na etapa construtiva dos empreendimentos, é adotada a tipificação de solos e projetos de soluções tipo, comumente empregadas nessa área, tais como sapatas, estacas, tubulões, grelhas e blocos atirantados em rocha, para fixação tanto de pés de torres autoportantes quanto de mastro central e estais de torres estaiadas. Foi realizado um estudo quanto aos diferentes métodos de dimensionamento geotécnico de fundações submetidas à tração vertical, com um enfoque especial ao método de Grenoble aplicado em perfis de solos estratificados. Foi proposta uma adaptação do método a partir da utilização de uma planilha eletrônica para automatizar os cálculos, considerando que a inclinação da superfície de ruptura seja determinada a cada metro de profundidade, obtida através das correlações de estimativa de parâmetros geotécnicos do solo a partir dos resultados da pesquisa SPT. Foi elaborada uma hipótese de cálculo fechada, a partir da definição de uma torre, de um local de implantação fictício e de uma solução de fundação do tipo estaca de concreto armado. Os esforços solicitantes nas fundações da torre autoportante modelo A60F são provenientes de um projeto real de uma linha de transmissão, e o local de implantação apresenta um laudo SPT de perfil de solo estratificado. Foi realizado o dimensionamento geotécnico à compressão através do método de Aoki-Velloso e foi elaborado o dimensionamento estrutural da estaca de concreto armado, realizando as verificações quanto ao ELU para compressão, ELU para tração e ELS-W para tração. O resultado do dimensionamento indicou que, tanto no dimensionamento geotécnico quanto no dimensionamento estrutural, a profundidade de assentamento da ponta da estaca e a disposição de armaduras longitudinais é regida majoritariamente pelo cálculo de capacidade de carga à tração e pela verificação de abertura de fissuras do elemento tracionado.
Palavras-chave: Fundações, linha de transmissão, estaca, tração, Grenoble, concreto armado.
ABSTRACT
In the present work, the characteristic aspects related to the transmission line undertakings were approached, since the geotechnical and structural dimensioning of the foundation elements to support the towers usually occurs in a different way from the usual projects. For greater agility in the construction stage, soil typification and type solution projects are commonly used in this area, such as footings, piles, tubules, grids and blocks thrown in rock, for fixing both feet of self-supporting towers as well as central mast and cable-stayed towers. A study was carried out on the different methods of geotechnical design of foundations subjected to vertical traction, with a special focus on the Grenoble method applied to stratified soil profiles. An adaptation of the method was proposed based on the use of an electronic spreadsheet to automate the calculations, considering that the inclination of the rupture surface is determined at each meter of depth, obtained through the established correlations of estimation of geotechnical parameters of the soil from the results. of the SPT report. A closed calculation hypothesis was elaborated, based on the definition of a tower, a fictitious implantation site and a reinforced concrete pile as a foundation solution. The soliciting efforts on the foundations of the self-supporting tower model A60F come from a real design of a transmission line, and the implantation site presents an SPT report of stratified soil profile. The geotechnical design for compression was carried out using the Aoki-Velloso. The structural dimensioning of the reinforced concrete pile was elaborated, carrying out the checks for the ULS for compression, ULS for traction and SLS for traction. The result of the design indicated that, both in geotechnical design and structural design, the depth of settlement of the pile tip and the arrangement of longitudinal reinforcement bars are governed mainly by calculating the tensile load- bearing capacity and by checking the crack opening of the pulled element.
Keywords: Foundations, transmission line, pile, traction, Grenoble, reinforced concrete.
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Peso específico de solos argilosos ... 74
Tabela 2 - Peso específico de solos arenosos ... 74
Tabela 3 - Classes de agressividade ambiental (CAA) ... 103
Tabela 4 - Correspondência entre CAA e classe do concreto. ... 104
Tabela 5 - Correspondência entre CAA e cobrimento nominal. ... 104
Tabela 6 - Estacas moldadas in loco e tubulões: parâmetros para dimensionamento ... 105
Tabela 7 - Valores limites de máxima abertura característica de fissuras Wk. ... 109
Tabela 8 - Valor do coeficiente de aderência η1. ... 110
Tabela 9 - Resumo resultados obtidos para validação ... 124
Tabela 10 - Valores do coeficiente Mc para λ=-ɸ/8 ... 154
Tabela 11 - Valores do coeficiente Mc para λ=-ɸ/8 (continuação) ... 155
Tabela 12 - valores do coeficiente (Mɸ+Mɣ) para λ=-ɸ/8 ... 156
Tabela 13 - Valores do coeficiente (Mɸ+Mɣ) para λ=-ɸ/8 (continuação) ... 157
Tabela 14 - Valores do coeficiente Mq para λ=-ɸ/8 ... 158
Tabela 15 - Valores do coeficiente Mq para λ=-ɸ/8 (continuação) ... 159
Tabela 16 - Tabela de verificação ELU para compressão ... 161
Tabela 17 - Tabela de verificação ELU para tração ... 162
Tabela 18 - Tabela de verificação ELS-W para tração ... 163
Tabela 19 - Resultado de consumo de aço para combinações aptas ... 164
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Etapas de geração, transmissão e distribuição de energia. ... 36
Figura 2 - Subestação de Energia localizada ao lado da UHE Luiz Gonzaga. ... 37
Figura 3 - Transformador RMT para tensão de consumo. ... 38
Figura 4 – Foto de falha estrutural de stubs metálicos com fundações intactas. ... 39
Figura 5 - Foto de fundação com elevação de fustes. ... 43
Figura 6 - Representação de Torres Estaiadas em planta. ... 47
Figura 7 - Silhueta de Torres Estaiadas. ... 48
Figura 8 - Silhueta de Torres Autoportantes... 48
Figura 9 - Foto de sequência de torres de linha de transmissão do tipo suspensão . 49 Figura 10 - Exemplo de traçado torres de suspensão sequênciais ... 50
Figura 11 - Foto de torre de linha de transmissão 440 kV em Bauru-SP do tipo ancoragem ... 51
Figura 12- Exemplo de deflexão no traçado com torre de ancoragem ... 51
Figura 13 - Foto de torre de linha de transmissão do tipo terminal ... 52
Figura 14 - Exemplo de fim de traçado com torre terminal ... 52
Figura 15 - Foto esforço lateral de vento ... 53
Figura 16 - Representação de direção de incidência de vento variável ... 54
Figura 17 - Foto de acúmulo de gelo nos cabos condutores. ... 54
Figura 18 - Foto torre metálica em etapa de montagem ... 55
Figura 19 - Árvore de cargas em torre autoportante ... 55
Figura 20 - Exemplo de hipóteses de carregamento ... 56
Figura 21 - Representação esforços nas fundações. ... 57
Figura 22 – Distinção entre fundações diretas e profundas ... 58
Figura 23 - Sapata para mastro central de torres estaiadas ... 60
Figura 24 - Sapata para pés de torres autoportantes ... 61
Figura 25 - Tubulão para fixação de estais de torres estaiadas ... 62
Figura 26 - Tubulão para pés de torres autoportantes ... 63
Figura 27 - Tubulão para mastro central de torres estaiadas ... 63
Figura 28 - Grelhas metálicas para pés de torres autoportantes... 64
Figura 29 - Grelha metálica para mastro central de torres estaiadas ... 65
Figura 30 - Placa/Grelha para fixação de estais de torres estaiadas ... 65
Figura 31 - Viga L pré moldada para fixação de estais de torres estaiadas ... 66
Figura 32 - Bloco de concreto para fixação de estais de torres estaiada ... 67
Figura 33 - Blocos atirantados em rocha para pés de torres autoportantes ... 67
Figura 34 - Blocos atirantados em rocha para mastro central de torres estaiadas.... 68
Figura 35 - Blocos atirantados em rocha para fixação de estais de torres estaiadas 68 Figura 36 - Tirantes chumbados em rocha para fixação de estais de torres estaiadas ... 69
Figura 37 - Estacas para pés de torres autoportantes ... 70
Figura 38 - Superfície fictícia de ruptura do Método do Cone. ... 76
Figura 39 - Superfície de ruptura adotada no Método do Cilindro de Atrito. ... 78
Figura 40 - Superfície de Ruptura Circular definida por Balla. ... 79
Figura 41 - Superfícies de ruptura propostas por Meyerhof e Adams. ... 81
Figura 42 - Superfície de expansão de cavidade cilíndrica ou esférica próxima à superfície proposta por Balla. ... 83
Figura 43 - Superfície de ruptura de estacas submetidas à tração vertical. ... 87
Figura 44 - Ábaco de valores dos coeficientes Mc e (Mɸ + Mɣ) para λ=-ɸ/8 ... 88
Figura 45 - Ábaco de valores do coeficiente Mq para λ=-ɸ/8 ... 89
Figura 46 – Exemplo de estaca em solo estratificado ... 91
Figura 47 - Superfícies de ruptura de placas em solos de categoria 1. ... 94
Figura 48 - Ábacos de valores dos coeficientes Mc, (Mɸ + Mɣ) e Mq em solos de categoria 1 com λ= arctan(0,2) ... 95
Figura 49 - Superfícies de ruptura de placas em solos de categoria 2. ... 96
Figura 50 - Ábaco de valores dos coeficientes Mc , (Mɸ + Mɣ) e Mq em solos de categoria 2 com λ= -ɸ/4 ... 98
Figura 51 - Ábaco de valores do coeficiente M em solos de categoria 2 com λ= -ɸ/4 ... 98
Figura 52 - Ábaco de valores do coeficiente Mɣ em solos de categoria 2 com λ= -ɸ 99 Figura 53 - Superfícies e ruptura de sapatas em solos de categoria 1. ... 100
Figura 54 - Superfícies e ruptura de sapatas em solos de categoria 2. ... 102
Figura 55 - Região de envolvimento Acri. ... 110
Figura 56 - Laudo da sondagem SPT arbitrada para a hipótese de cálculo. ... 113
Figura 57 - Gráfico comparativo entre correlações de ângulo de atrito ... 116
Figura 58 - Influência do lençol freático no peso dos materiais ... 117
Figura 59 - Indicação da camada i. ... 119
Figura 60 - Determinação da carga distribuída sobre camada. ... 119
Figura 61 - Inclinação variável da superfície de ruptura. ... 120
Figura 62 - Tronco de cone formado pela superfície de ruptura. ... 121
Figura 63 - Dados de entrada e resultados obtidos para validação do método adaptado ... 122
Figura 64 - Dados de entrada e resultados obtidos para validação do método adaptado ... 122
Figura 65 - Dados de entrada e resultados obtidos para validação do método adaptado ... 123
Figura 66 - Dados de entrada e resultados obtidos para validação do método adaptado ... 124
Figura 67 – Exemplo de estaca em solo estratificado ... 125
Figura 68 – Dados de Entrada do exemplo ... 126
Figura 69 – Resultados obtidos do exemplo ... 126
Figura 70 – Resultados obtidos do exemplo ... 127
Figura 71 – Resultados obtidos do exemplo ... 127
Figura 72 – Resultados obtidos do exemplo ... 127
Figura 73 – Resultados obtidos do exemplo ... 128
Figura 74 - Cilindro de raio equivalente e superfície de ruptura variável ... 129
Figura 75 - Raio da área de envolvimento e espaçamento entre faces ... 133
Figura 76 – Dados de Entrada da hipótese de cálculo para tração ... 136
Figura 77 – Dados de Entrada da hipótese de cálculo para tração ... 136
Figura 78 – Resultados obtidos da hipótese de cálculo para tração ... 137
Figura 79 – Resultados obtidos da hipótese de cálculo para tração ... 137
Figura 80 – Resultados obtidos da hipótese de cálculo para tração ... 138
Figura 81 – Resultados obtidos da hipótese de cálculo para tração ... 138
Figura 82 – Resultados obtidos da hipótese de cálculo para tração ... 138
Figura 83 – Dados de Entrada da hipótese de cálculo para compressão ... 139
Figura 84 – Resultados obtidos da hipótese de cálculo para compressão ... 140
Figura 85 – Resultados obtidos da hipótese de cálculo para compressão ... 140
Figura 86 – Dados de Entrada da hipótese de cálculo ... 142
Figura 87 – Resultados obtidos da hipótese de cálculo ... 143
Figura 88 – Resultados obtidos da hipótese de cálculo para compressão ELU ... 144
Figura 89 – Resultados obtidos da hipótese de cálculo para tração ELU ... 144
Figura 90 – Resultados obtidos da hipótese de cálculo para tração ELS-W ... 144
LISTA DE SÍMBOLOS E NOTAÇÕES As – área de aço armadura longitudinal
Asw – área de aço armadura transversal Acr - área de envolvimento
B – raio da base maior do tronco de cone B – largura da fundação
bw - largura média da alma, medida ao longo da altura útil da seção;
c – coesão
c – cobrimento de concreto C – força vertical de compressão CA – concreto armado
C40 – classe de concreto
CAA – classe de agressividade ambiental D – profundidade de assentamento
Di – incremento de profundidade Dc – profundidade crítica
esp – espaçamento entre faces E – módulo de elasticidade
fcd - resistência à compressão de cálculo do concreto fck - resistência à compressão característica do concreto fctm - resistência média à tração do concreto
fyk - tensão de escoamento característica do aço fyd – tensão de escoamento de cálculo do aço
fywk - resistência característica ao escoamento do aço da armadura transversal;
H – força horizontal
H – altura superfície de ruptura Meyehof e Adams Mc – coeficiente de capacidade de carga
Mɸ – coeficiente de capacidade de carga Mɣ – coeficiente de capacidade de carga Mq – coeficiente de capacidade de carga Nspt – número de golpes ensaio SPT N – número de barras longitudinais p – perímetro
P – peso
q0 – sobrecarga distribuída
Qrt – capacidade de carga à tração
R – raio da estaca ou tubulão sem base alargada Req – raio equivalente
Rt – resistência à tração S – área
S – espaçamento entre barras transversais T – carga vertical de tração
Wk – valor característico de abertura de fissuras
α - inclinação dos estribos em relação ao eixo longitudinal do elemento Δb – afastamento da superfície de ruptura
γ – coeficiente de ponderação ɣ - peso específico
λ – ângulo da superfície de ruptura
η1 - coeficiente de conformação superficial da barra de aço ɸ - ângulo de atrito interno do solo
ρ - taxa de armadura
Ø - diâmetro nominal da barra de aço
σs – tensão de tração calculada no estágio II ρsw – taxa de armadura geométrica
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica CBCA – Centro Brasileiro da Construção em Aço
CIGRÉ – Conseil International des Grands Réseaux Electriques ELU – Estado Limite Último
ELS – Estado Limite de Serviço
ELS-W – Estado Limite de Abertura de Fissuras ONS – Operador Nacional do Sistema Elétrico RQD – Rock Quality Designation
SPT – Standard Penetration Test
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ... 32
1.1 JUSTIFICATIVA ... 32
1.2 OBJETIVOS ... 33
1.2.1 OBJETIVO GERAL ... 33
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 33
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 35
2.1 Contextualização histórica da demanda de energia no Brasil ... 35
2.2 Processo de geração de energia elétrica ... 36
2.3 Transmissão de energia elétrica... 37
2.4 Etapas de projeto de linhas de transmissão ... 40
2.4.1 Ante projeto ... 40
2.4.2 Projeto Básico ... 41
2.4.3 Projeto Executivo ... 42
2.4.4 Projeto As Built ... 43
2.4.5 O Conceito de “Projetos Tipo” ... 43
2.5 Torres de linhas de transmissão... 46
2.5.1 Materiais de Construção ... 46
2.5.2 Classificação... 46
2.5.3 Esforços Solicitantes ... 52
2.6 Fundações de torres de linhas de transmissão ... 57
2.6.1 Tipos de Fundações ... 57
2.6.2 Critérios para Escolha de Fundações ... 58
2.7 Concepção de Projetos de Fundações ... 71
2.7.1 Investigações Geotécnicas ... 71
2.7.2 Correlações de Parâmetros de Resistência e Peso Específico... 73
2.7.3 Dimensionamento Geotécnico ... 74
2.7.4 Dimensionamento Estrutural de Elementos de Fundação ... 102
MÉTODO ... 111
3.1 HIPÓTESE DE CÁLCULO ADOTADA ... 111
3.1.1 Esforços Solicitantes ... 111
3.1.2 Local de Implantação ... 113
3.2 DIMENSIONAMENTO GEOTÉCNICO ... 115
3.2.1 Considerações para adaptação do método de Grenoble ... 115
3.2.2 Validação da abordagem adaptada do método de Grenoble ... 121
3.2.3 Comparação da abordagem adaptada do método de Grenoble em solo estratificado ... 125
3.3 DIMENSIONAMENTO ESTRUTURAL ... 130
3.3.1 Armadura Longitudinal ... 130
3.3.2 Armadura Transversal ... 134
RESULTADOS ... 136
4.1 Dimensionamento Geotécnico ... 136
4.1.1 Tração ... 136
4.1.2 Compressão ... 139
4.2 Dimensionamento Estrutural ... 142
4.2.1 Armadura longitudinal ... 142
4.2.2 Armadura transversal ... 145
CONCLUSÕES ... 147
INTRODUÇÃO
A crescente demanda de energia elétrica no Brasil torna obrigatória a expansão da matriz energética e de infraestrutura do país. A geração de energia elétrica vem sendo realizada de diversas formas, referentes às diferentes fontes de energia exploradas hoje em dia.
Devido a maior parte da geração de energia ser de forma centralizada, faz-se necessária uma conexão entre as unidades de geração e os centros urbanos onde a energia elétrica é utilizada. Para atender a essa necessidade, é necessária a implantação de empreendimentos de linhas de transmissão, que têm aspectos peculiares de concepção cabíveis de discussão.
A prática dos projetistas da área é no mínimo interessante, já que tais empreendimentos necessitam da locação de torres para sustentação dos cabos condutores, que apresenta diversos desafios principalmente na área de engenharia.
A concepção diferenciada dos projetos de traçado, das diferentes torres e de suas fundações possibilita que a execução das fundações, se dê de forma rápida, objetivando o menor custo global de implantação.
Os projetos de fundações de torres de linhas de transmissão são diferenciados, já que, na maioria das vezes, o esforço que governa o dimensionamento geotécnico desses elementos é o de arrancamento.
São encontradas na bibliografia diversas metodologias diferentes para o dimensionamento de elementos tracionados, em especial o método do cone invertido, cilindro de atrito, método de Meyerhof e Adams, método de Grenoble, entre outros. É importante salientar que, de acordo com Danziger (1983), há ocorrência de muitas discrepâncias entre os resultados dos métodos, entretanto, o método que tem gerado resultados de cálculos de capacidade de carga mais próximos ao real é o de Grenoble.
1.1 JUSTIFICATIVA
O presente trabalho é justificado pela crescente demanda energética, que reflete na necessidade de elaboração e implementação de diversos projetos de linhas de transmissão. Por se tratar de estruturas especiais, as fundações das torres de linhas de transmissão têm um aspecto peculiar em comparação às fundações comuns. Durante o período de graduação em Engenharia Civil, são estudadas as fundações de estruturas comuns, como edificações de único pavimento, edifícios de múltiplos pavimentos, galpões industriais e obras de arte especiais em estradas, na
maior parte das vezes estão praticamente sempre submetidas à esforços de compressão, flexo-compressão ou tração parcial do elemento com abertura de junta no contato da base.
Logo, a realização deste trabalho para concepção de projetos de fundações de torres de linhas de transmissão é no mínimo interessante, pois há ocorrência frequente de elementos completamente tracionados, cujo dimensionamento geotécnico se dá de maneira distinta, a qual será abordada ao longo do estudo.
Para realização deste tipo de dimensionamento, Danziger demonstra em seu trabalho que a aplicação do método de Grenoble leva um caráter árduo de cálculo, com a necessidade de utilização de ábacos para o dimensionamento geotécnico. Em especial, o dimensionamento de estacas em solos estratificados torna-se muito trabalhoso, já que é necessária a obtenção dos coeficientes de capacidade de carga para cada camada distinta.
A necessidade de se estabelecer corretamente os critérios e parâmetros para os cálculos de capacidade de carga estimula o desenvolvimento de novos procedimentos pertinentes a evolução da engenharia, contando com o aprimoramento dos cálculos através de automatizações computacionais que permitam maior confiabilidade e rapidez ao processo.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 OBJETIVO GERAL
Esse trabalho tem como objetivo apresentar os aspectos relacionados à concepção de projetos de linhas de transmissão assim como e realizar um dimensionamento geotécnico e estrutural de uma estaca como elemento de fundação de uma torre de linha de transmissão através do uso de planilhas eletrônicas.
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Visando concluir o objetivo principal com êxito, são propostos os seguintes objetivos específicos para o trabalho:
• Abordar os aspectos característicos de empreendimentos de linhas de transmissão para entender como são comumente elaborados seus projetos
• Explanar as metodologias existentes para dimensionamento geotécnico de fundações submetidas à esforços verticais de tração a fim de identificar o método que apresenta os resultados mais próximos à realidade;
• Determinar uma hipótese de cálculo a partir da escolha de uma torre com seus esforços provenientes das combinações de ações e um local de implantação.
• Realizar o dimensionamento geotécnico da fundação pelo método de Grenoble e Aoki-Velloso
• Realizar o dimensionamento estrutural da fundação pelo método dos Estados Limites.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Este capítulo é reservado à introdução ao tema e à filosofia de projetos de linhas de transmissão. Serão apresentados um histórico referente ao desenvolvimento da crescente demanda de energia no Brasil, e a definição das diferentes etapas do circuito de geração de energia elétrica. Os aspectos relacionados à etapa de transmissão em si, as diferentes etapas de projeto, a ideia de padronização de projetos utilizada pelas empresas projetistas. Os diversos fundamentos teóricos e práticos relacionados a esse tipo de empreendimento e os principais tipos de torres e fundações comumente empregados. Por fim, serão explanados diversos métodos de dimensionamento geotécnico de fundações submetidas à esforços de tração e os critérios utilizados para o dimensionamento estrutural destes elementos.
2.1 CONTEXTUALIZAÇÃO HISTÓRICA DA DEMANDA DE ENERGIA NO BRASIL De acordo com Gomes e Vieira (2009), jamais a civilização humana esteve em um mundo tão conectado quanto ao que vivemos hoje em dia e, inquestionavelmente, a energia elétrica se tornou um bem essencial para a vida em sociedade.
“O avanço da economia de um país é dependente da oferta de energia a custos competitivos e com suprimento garantido.” (AZEVEDO, 2007, p. 29)
Segundo Gomes e Vieira (2009), o início da formação do setor elétrico brasileiro deu-se em meados de 1880, passando por diversas etapas até se desenvolver ao ponto em que se encontra atualmente. Entre os anos de 1880 e 1930, foi marcada a época em que estavam sendo implementados os primeiros empreendimentos de geração de energia elétrica no país, e houve um forte monopólio privado no mercado. Nos anos subsequentes, até 1945, foi notada uma forte presença do Governo Federal no setor de energia devido à elaboração das primeiras regulamentações, como por exemplo o Código de Águas, em 1934.
Não diferente, a atuação do Governo Federal permaneceu com uma maior participação no setor através da criação da Eletrobrás, em 1962, que veio a comandar a estatização com grandes investimentos.
O país seguia com um desenvolvimento econômico e com um aumento da demanda energética, porém devido à crise econômica de 1992, tal crescimento foi interrompido.
Gomes e Vieira (2009) ainda indicam que posteriormente ficou clara a mudança para o modelo híbrido de negócios, sendo a composição do setor de energia dada pelas empresas estatais comandando a maior parcela dos processos geração e transmissão de energia, enquanto a distribuição aos consumidores finais era majoritariamente confiada às empresas privadas.
Com o passar dos anos, em 1997 foi criada a ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), que atua com as principais atribuições para regular a geração, transmissão, distribuição e comercialização de energia elétrica no país. Cabe a ANEEL fiscalizar as concessões, implementar políticas e diretrizes governamentais relativas à exploração de energia elétrica e ao aproveitamento dos potenciais hidráulicos. Também são atribuições da ANEEL estabelecer tarifas, mediar conflitos e estabelecer outorgas de concessão, permissão e autorização de empreendimentos e serviços de energia elétrica.
Os autores Gomes e Vieira (2009) seguem articulando que a agência tomou a frente, e age como organizadora dos leilões de energia. Esse novo modelo refere- se à concessão de exploração para venda de energia elétrica durante um período determinado, tanto nas etapas de geração, transmissão e distribuição.
2.2 PROCESSO DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
Sabe-se que no Brasil, o setor elétrico é majoritariamente governado pela geração centralizada, representada em grande parte pelas usinas hidrelétricas. Isso se deve ao fato que o país apresenta um abundante recurso hídrico em seu extenso território continental.
Na maioria dos casos, as usinas hidrelétricas encontram-se afastadas dos grandes centros urbanos. Para vencer essas grandes distâncias entre a produção e a distribuição ao consumidor final, a energia é transportada através das conhecidas linhas de transmissão.
Figura 1 - Etapas de geração, transmissão e distribuição de energia.
FONTE: Adaptado dreamstime.com
2.3 TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
Com o objetivo de minimizar a perda de potência na transmissão imposta pelo efeito Joule, que consiste na transformação de energia elétrica em calor com a passagem um de corrente elétrica através do condutor, obriga os projetistas a optar pela variação de tensão da linha, através do uso de subestações elevadoras e redutoras de tensão.
No início do trajeto, junto às fontes geradoras, a energia elétrica tem sua tensão elevada, que pode chegar até 765 kV, viajando através das longas distâncias com uma corrente elétrica baixa.
Figura 2 - Subestação de Energia localizada ao lado da UHE Luiz Gonzaga.
FONTE: Autor
Ao chegar próximo dos centros urbanos, chamados também de centros de carga, a tensão é reduzida para níveis médios de até 69 kV. A partir daí, a energia percorre as Redes de Média Tensão – RMT nos postes das ruas e avenidas até chegar aos transformadores mais próximos dos consumidores finais.
Esses transformadores são responsáveis por reduzir a tensão até a tensão nominal de 110 ou 220 volts, dependendo da região, que finalmente alimenta os consumidores finais.
Figura 3 - Transformador RMT para tensão de consumo.
FONTE: Apostila Redes de Distribuição Aérea UTFPR)
Uma filosofia utilizada na concepção dos diversos projetos neste tipo de empreendimento é interessante, e deve ser comentada: É indispensável que o fornecimento de energia elétrica aos centros de carga seja ininterrupto, pois afeta, de maneira severa, as condições de conforto, saúde e a rotina de trabalho de todos os usuários. Sendo assim, a possibilidade de interrupção de fornecimento de energia elétrica deve ser sempre minimizada.
A correta operação da rede, realizada pelo ONS – Operador Nacional do Sistema Elétrico, é indispensável para que essa condição seja satisfeita, já que uma ação incorreta pode vir a sobrecarregar parte da malha e causar acidentes, com a posterior interrupção de fornecimento até que sejam feitos todos os reparos necessários.
Além disso, a interrupção de fornecimento devido à descontinuidade de cabos condutores é preocupante. A ruptura de cabos devido às cargas de vento, impactos externos, incidência de gelo, entre outros fenômenos, assim como a ocorrência de uma falha local nos montantes metálicos constituintes das torres, ou até mesmo uma ruptura das fundações capaz de levar toda estrutura metálica ao chão, com certeza impactará nas condições cotidianas dos usuários.
Sendo assim, para que um possível déficit de fornecimento seja resolvido da maneira mais rápida o possível, a concepção de projetos de linhas de transmissão conta com uma preferência pré-definida na cascata de sequência de possíveis rupturas.
É ideal que, em caso de ruptura, o primeiro elemento que venha a falhar seja o condutor em si. Ao garantir que a torre e suas fundações permaneçam íntegras, não há necessidade de substituição desses elementos para que o fornecimento seja retomado, bastando apenas substituir o cabo condutor rompido.
Seguindo na ordem de preferência, é mais vantajoso que a estrutura metálica da torre venha a falhar antes das fundações. O processo de montagem de uma torre metálica é mais rápido que o processo de execução de fundações para tais torres.
Sendo assim, é mais vantajoso para a empresa que detém a concessão da linha de transmissão, substituir uma torre caída ao invés de demolir e refazer as fundações rompidas. Há um impacto financeiro para concessionária proporcional ao tempo total em que o fornecimento permaneceu interrompido, já que não foi possível vender o transporte de energia elétrica aos consumidores dos centros de carga.
Desta forma, as fundações das torres de linhas de transmissão detêm a maior importância em termos de confiabilidade e segurança contra ruptura dentre todos os elementos que compõem o empreendimento.
Figura 4 – Foto de falha estrutural de stubs metálicos com fundações intactas.
FONTE: Clicrbs Itajaí, 2014
É importante frisar que, para atingir o patamar de convicção que as fundações são seguras diante de todas as incertezas contidas nos materiais e nas técnicas
executivas, é necessário que os dimensionamentos geotécnico e estrutural destes elementos sejam elaborados segundo as normas técnicas vigentes. Além disso, seguir as boas práticas e as recomendações das normas e métodos de dimensionamento é necessário que os elementos sejam executados através dos métodos executivos corretos.
2.4 ETAPAS DE PROJETO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO 2.4.1 Ante projeto
Segundo Azevedo (2011), o ante projeto de um empreendimento de linha de transmissão de energia é composto pelo traçado inicial e um resumo de quantitativos aproximado. Para uma melhor elaboração desse traçado, é necessário que seja feito o levantamento de todas as informações pertinentes para uma escolha otimizada do percurso. Devem ser organizadas equipes de topografia para a realização de investigações e aquisição das diversas informações.
Busca-se inicialmente o levantamento das características superficiais do terreno, devendo estar listadas todas as possíveis travessias com rodovias, ferrovias, cursos d’água, propriedades privadas, gasodutos e divisas estaduais, além de obviamente outras linhas de transmissão. É necessário que o mapeamento da região conte com a indicação de áreas cultiváveis, áreas de vegetação nativa, áreas de preservação e também das zonas de inundação periódica em regimes de cheia.
Analisada toda a coleção de informações levantadas visualmente sobre o terreno, é possível que os projetistas definam um traçado inicial para a linha de transmissão. Deve-se evitar ao máximo que o posicionamento preliminar das torres seja feito em terrenos de difícil acesso, muito íngremes, que estejam sofrendo processo de erosão, terrenos alagados ou em locais dentro das zonas de inundação em regime de cheia.
De acordo com Azevedo (2011), após a definição do traçado inicial, a equipe especializada de topografia é responsável pelo levantamento do perfil vertical do terreno no eixo da linha, também podendo ser necessários em alguns casos a elaboração dos perfis verticais nas laterais da linha, a uma certar distância do eixo.
A elaboração de levantamentos quantitativos tem como objetivo resumir a distribuição das estruturas a serem empregadas, de acordo com o tipo e porcentagem de solo que se encontram. A quantidade de volume a ser escavado e ou reaterrado
está atrelada à qual tipo de torre que deve ser instalada em seus respectivos locais de implantação
2.4.2 Projeto Básico
Partindo para a etapa de projeto básico, cabe aos projetistas otimizar o arranjo elaborado na etapa de ante projeto, a fim de buscar uma maior facilidade, agilidade e principalmente maior economia na execução do empreendimento. Certamente que os locais de implantação das torres são os pontos chave para que o projeto seja o mais viável economicamente.
Azevedo (2011) indica que há uma preferência pela utilização do maior número de trechos em linha reta os quais sejam possíveis, que possibilitam a utilização de torres mais esbeltas intercaladas com as torres de maior estabilização.
Além do favoritismo quanto à linearidade, a otimização da linha é realizada buscando-se utilizar a menor extensão, menor número torres, com o maior espaçamento possível entre elas. Um menor número de torres gera consequentemente um menor impacto ambiental, já que é necessária a remoção de uma zona de vegetação em volta da torre para permitir sua montagem e também para reduzir as chances de toques de galhos e copas de árvores nos cabos condutores.
A preferência pela utilização de torres que comportem mais de um único cabo condutor também é importante, pois aumenta a capacidade de fornecimento de energia aos consumidores finais ao longo de todo o tempo de concessão da linha.
Em seu trabalho, Azevedo (2011) menciona a importância que deve ser tomada quanto ao respeito às distâncias mínimas entre os condutores em si, na mesma torre, e também entre as travessias e vegetações próximas à linha. As distâncias mínimas de segurança e as faixas de segurança são impostas pela norma NBR 5422 - Projeto de Linhas Aéreas de Transmissão de Energia Elétrica (1985).
A partir do traçado, é feito o cálculo dos esforços solicitantes nas torres. Esse assunto é comentado mais a fundo no 2.5.3 - Esforços Solicitantes
Azevedo (2011) continua relatando que, nessa etapa de projeto, são definidos os possíveis tipos de fundações a serem implementadas. Em geral, são previstas soluções padrão que já são de domínio das projetistas e construtora. Esse assunto é comentado mais a fundo no 2.4.5 - O Conceito de “Projetos Tipo”.
Com o objetivo de complementar o levantamento de informações realizado visualmente na etapa de ante projeto, é necessário que seja realizado um plano de
sondagens preliminares. As sondagens de simples reconhecimento SPT são realizadas ao longo do eixo da linha, e servem de base para determinação dos tipos de solo. Esse assunto é comentado mais a fundo no 2.7.1 - Investigações Geotécnicas.
2.4.3 Projeto Executivo
Nessa etapa de projeto, Azevedo (2011) indica que a prática usual das projetistas vai na direção de determinar todas soluções de fundações para as torres.
Para isso, faz-se um cruzamento de informações determinadas nas etapas anteriores:
tipo de torre, máximos esforços resultantes nas fundações, e os diferentes tipos de solo.
São elaborados projetos geotécnicos e estruturais para as diferentes combinações. Isso se traduz na concepção diferentes projetos referentes a um mesmo tipo de fundação aplicada, em nos diferentes tipos de solos determinados com as sondagens preliminares.
Devem ser elaboradas todas as memórias de cálculo, pranchas de projeto executivo, planilhas de identificação, locação e escavação das fundações. É ideal que sejam dispostas nas pranchas todas as medidas executivas a serem empregadas, cotas de elevação, notas técnicas com observações de detalhamento de armaduras, definição clara dos materiais usados no reaterro, grau de compactação mínimo e todas as demais informações que sejam pertinentes para possibilitar a correta execução.
Para a execução em campo dos elementos definidos nos projetos executivos, faz-se necessário a elaboração de um plano de sondagens complementar. As sondagens devem ser realizadas nos locais exatos de implantação das torres, com o intuito de confirmar a tipificação geológico/geotécnica do terreno obtida com as sondagens preliminares e permitir a classificação do terreno em um dos solos-tipo já determinados.
Em caso de grande divergência entre o resultado da sondagem SPT realizada no local exato de implantação com os tipos de solo padrão previstas na etapa de projeto básico, é necessário refazer o projeto dos elementos de fundações. Para essas situações, diz-se que o solo encontrado pode ser considerado como “solo não- típico”.
Outra situação que requer a elaboração de um novo projeto dos elementos de fundações, é, segundo o autor, quando o local de implantação se encontra em região
de alagamento. Se a implantação de uma torre em uma zona de alagamento é inevitável, o projeto das fundações deve prever uma elevação dos fustes suficiente para garantir que a torre fique completamente acima do nível d’água.
Figura 5 - Foto de fundação com elevação de fustes.
FONTE: Acervo Autor
2.4.4 Projeto As Built
Nessa última etapa de documentação técnica relativa aos projetos da linha de transmissão, é elaborada toda documentação necessária para comprovação da correta execução dos projetos executivos.
A existência de projetos As Built possibilita a conferência do que foi realmente executado em campo caso haja algum problema, incidente ou acidente ocorrido após a construção e comissionamento da linha.
2.4.5 O Conceito de “Projetos Tipo”
Segundo Azevedo (2011), o conceito de “Projetos Tipo” é muito comum na prática das empresas projetistas no ramo de linhas de transmissão.
De acordo com Chaves (2004), torres de linhas de transmissão têm uma grande variabilidade de prováveis combinações de carregamento, o que implicaria na necessidade de realizar um projeto específico para a estrutura de cada torre metálica.
A padronização dos projetos, segundo Chaves (2004), é condizente para que o princípio da economia através da fabricação em larga escala seja atendido. Após serem determinados os tipos de torres metálicas a serem usadas, cabe aos projetistas fazer as adaptações necessárias no traçado da linha para que este possa ser desenvolvido com as torres padrão disponíveis.
Após o desenvolvimento de uma “família de torres”, são executados protótipos das torres e realizados ensaios para averiguação de sua resistência como estrutura de sustentação.
Um ponto de grande importância a ser discutido é uma característica marcante deste tipo de empreendimento, retratada pelo cruzamento através de grandes extensões territoriais. Isso traz como consequência a grande probabilidade de se encontrar diversos tipos de solos e locais de difícil acesso. Tendo isso em vista, a implantação de cada torre se torna um verdadeiro desafio de engenharia e logística, pois cada local de implantação requereria uma solução específica de projeto de fundações e de logística executiva.
Para contornar esse problema, é necessário que sejam realizadas investigações prévias nos locais de implantação, normalmente através de visitas técnicas e ensaios de campo para caracterização dos solos, que serão detalhados posteriormente.
Entretanto, as metodologias atuais empregadas nos escritórios de engenharia vêm buscando uma padronização de projetos, objetivando principalmente a economia na fabricação, transporte e montagem das torres.
A ideia de padronizar os tipos de solo, permite aos projetistas que sejam elaborados os projetos-tipo, que contemplam todas as possíveis soluções geotécnicas que podem vir a ser necessárias para a instalação das torres nos locais de implantação. Segundo Azevedo (2011) os solos geralmente são classificados em quatro ou cinco tipos distintos, cada qual com seus parâmetros geotécnicos, características físico-químicas e comportamento esperado.
A fim de proporcionar maior agilidade durante o período executivo, busca-se diminuir o tempo gasto para a determinação de qual fundação deverá ser executada no local de cada torre. A correta execução da investigação do solo através das sondagens SPT permite aos projetistas geotécnicos a elaboração dos projetos executivos das fundações da melhor maneira possível de forma a garantir a rapidez, já que as características e parâmetros geotécnicos dos solos influenciam diretamente nos tipos e dimensões das fundações a serem implementadas.
Entretanto, a etapa de elaboração desses projetos geotécnicos e estruturais demanda um tempo precioso, principalmente se todo o maquinário e operários envolvidos para a execução das fundações estiverem mobilizados já que o custo de
mobilização de certos equipamentos pode ser extremamente oneroso à responsável pela construção.
Sendo assim, Azevedo (2011) comenta que a prática usual das projetistas e construtoras que atuam nesse ramo, vai na direção de, a partir das análises dos laudos das sondagens SPT realizadas na etapa preliminar, determinar os diferentes tipos de solo comumente encontrados ao longo do traçado da linha. São determinadas as melhores soluções geotécnicas a serem empregadas para cada combinação de tipo de solo com os tipos de torres e seus respectivos carregamentos.
Segundo Azevedo (2011), as empresas projetistas optam por realizar sondagens SPT na etapa de execução do empreendimento para comparar o laudo obtido com os diferentes tipos de solo determinados, objetivando confirmar as características do solo nos locais de implantação. Assim, tendo em mãos o tipo de torre, com seus respectivos carregamentos, e a classificação do tipo de solo no local de implantação, é escolhida e a melhor solução de fundação já elaborada que se adeque à combinação de variáveis.
Desta forma, o tempo desprendido entre a execução da sondagem no local exato de implantação e o início dos trabalhos para execução das fundações é reduzido ao máximo, já que não são realizados outros tipos de ensaio além do SPT, representando uma maior agilidade e consequentemente uma maior economia.
Caso o veredito da análise do laudo de sondagem indicar que o local de implantação é muito diferente dos todos os solos tipo definidos na etapa de projeto básico, faz-se necessário a elaboração de um projeto especial de fundações, que deverá ser iniciado do zero pela projetista.
Portanto, para que o empreendimento seja comprovadamente viável, a padronização das soluções de projetos das fundações é extremamente importante pois possibilita ao executor maior agilidade na construção, além da previsibilidade de técnicas executivas e da quantidade de insumos a ser empregada.
2.5 TORRES DE LINHAS DE TRANSMISSÃO
“As estruturas de suporte que têm como finalidade sustentar os cabos condutores e pára-raios, respeitando uma distância adequada de segurança, desempenho e custo.”
(TOJEIRA, 2010, p.62)
Tojeira (2010) complementa alegando que as torres podem ser de concreto, metal e até mesmo madeira, dependendo das combinações de carregamento solicitante as quais estarão sujeitas.
2.5.1 Materiais de Construção
Segundo Velozo (2010), no Brasil, a maioria das torres para linhas de transmissão são do tipo metálica, formadas por perfis laminados que compõem sua estrutura treliçada. Esse tipo de torre é vantajoso pois permite que a elevação dos cabos condutores seja feita por uma estrutura alta, esbelta, que ocupa pouco espaço, podendo ser considerada leve e muito versátil. A possibilidade de diferentes modulações dos perfis faz com que esse tipo de torre seja ideal para se adaptar ao terreno, pois seus pés de sustentação não necessariamente precisam estar na mesma altura um em relação ao outro.
Outros tipos de estruturas de elevação são os postes, que podem ser construídos de aço, concreto ou até mesmo madeira.
Tojeira (2010) faz menção à Santiago (1983), que indica que, no Brasil, a maioria das estruturas de sustentação dos condutores em tensões de 33 kV até 69 kV é representada pelos postes em madeira, enquanto na faixa de tensões entre 69 kV e 230 kV, são predominantes os postes em concreto. Para tensões acima dos 138 kV, já é usual a utilização de estruturas metálicas treliçadas, entretanto Santiago indica que na região norte do país, o uso de estruturas de sustentação do tipo postes de concreto é comum para tensões entre 138 kV e 230 kV.
2.5.2 Classificação
De acordo com Chaves (2004), as torres de linhas de transmissão podem ser classificadas de várias formas, de acordo com a disposição dos cabos condutores, número de circuitos, voltagem da linha, formato da silhueta e principalmente quanto ao seu sistema estrutural e sua função na linha.
2.5.2.1 Sistema Estrutural
As estruturas se dividem em dois grandes grupos de sistemas estruturais:
torres Estaiadas e torres Autoportantes.
2.5.2.1.1 Torres Estaiadas
São estruturas que, de acordo com Chaves (2004), utilizam cabos tracionados (nomeados de estais) fixados pelas extremidades ao terreno e à estrutura da torre para que sua estabilidade seja garantida.
Chaves indica que, os estais fixados na parte superior da estrutura do mastro central das torres, em geral, fazem um ângulo próximo de 30º com a vertical. Para a estabilidade da torre seja garantida, a outra ponta dos estais deve ser fixada nas fundações de fixação, que se encontram afastadas do eixo da linha e deslocadas no sentido de vante e de ré. São apresentadas uma representação em planta da disposição final e uma representação da silhueta de torres estaiadas na Figura 6 e Figura 7 respectivamente.
Figura 6 - Representação de Torres Estaiadas em planta.
Fonte: CIGRÉ, 2010
Figura 7 - Silhueta de Torres Estaiadas.
Fonte: CIGRÉ, 2010
Os estais são tracionados para limitar o movimento da estrutura da torre, pois a partir da incidência de qualquer esforço horizontal na torre, há a solicitação imediata destes elementos. Por serem cabos, que estruturalmente apenas resistem à tração, suas fundações de fixação são sempre solicitadas à condição de carregamento de tração.
Chaves complementa alegando que as torres estaiadas são estruturas leves e esbeltas, sendo consequentemente, de menor custo.
2.5.2.1.2 Torres Autoportantes
São estruturas que, de acordo com Chaves (2004), têm equilíbrio garantido em função da própria estrutura, sem necessidade da contribuição de uma subestrutura para contribuir em sua estabilidade.
Figura 8 - Silhueta de Torres Autoportantes.
Fonte: CIGRÉ, 2010
2.5.2.2 Função na Linha de Transmissão
A classificação das torres de linhas de transmissão também é feita de acordo com a função em que a estrutura detém, e é ligada diretamente com a sua capacidade de resistir à esforços distintos.
2.5.2.2.1 Torres de Suspensão
Segundo Chaves (2004), as torres de suspensão têm a função apenas de proporcionar a elevação dos cabos condutores de forma que as diversas distâncias e faixas de segurança sejam atendidas.
Podem ser utilizadas torres do tipo estaiadas ou autoportantes, e são comuns em trechos retos da linha ou até em trechos com variações de pequenos ângulos, da ordem de 5º, conforme mostrado na Figura 9 e Figura 10.
Torres do tipo suspensão em geral apresentam uma capacidade limitada de resistência à esforços horizontais, principalmente se forem utilizadas torres estaiadas.
Para maior economia, é ideal que sejam utilizadas o maior número possível de torres de suspensão do tipo estaiada em trechos retos, intercaladas por torres autoportantes, capazes de resistir à esforços horizontais de maiores magnitudes.
Figura 9 - Foto de sequência de torres de linha de transmissão do tipo suspensão FONTE: conexaoplaneta, 2020
Figura 10 - Exemplo de traçado torres de suspensão sequênciais FONTE: Acervo Autor
2.5.2.2.2 Torres de Ancoragem
Chaves (2004) aponta que as torres classificadas de ancoragem, também identificadas como “de ângulo”, são empregadas nos pontos de deflexão da linha, onde ocorre uma mudança na direção do eixo em uma certa abertura angular determinada na etapa de elaboração do traçado da linha, conforme evidenciado na Figura 11 e Figura 12
São estruturas autoportantes que, assim como as demais torres, resistem aos esforços horizontais provenientes dos cabos condutores ligados nas torres de vante e de ré. Sua principal característica é que a resultante desses esforços horizontais se encontra fora dos eixos principais da torre no sentido longitudinal ou transversal ao eixo da linha.
Figura 11 - Foto de torre de linha de transmissão 440 kV em Bauru-SP do tipo ancoragem FONTE: flickr, 2014
Figura 12- Exemplo de deflexão no traçado com torre de ancoragem FONTE: Acervo Autor
2.5.2.2.3 Torres Terminais
Segundo Chaves (2004), as torres de Terminais são posicionadas nos pontos de início ou término da linha de transmissão, conforme evidenciado na Figura 13 e Figura 14. São estruturas do tipo autoportante, muito robustas e pesadas, cuja função é ancorar os esforços provenientes dos cabos condutores e dos cabos para-raios.
Essas torres são projetadas para resistirem à elevados esforços horizontais, em que a resultante não necessariamente se encontra sobre um dos eixos principais paralelo ou transversal ao eixo da linha.
Figura 13 - Foto de torre de linha de transmissão do tipo terminal FONTE: wikiwand, 2010
Figura 14 - Exemplo de fim de traçado com torre terminal FONTE: Acervo Autor
2.5.3 Esforços Solicitantes
Para a realização do dimensionamento estrutural das torres, é necessário que sejam analisadas todas as possíveis combinações de carregamentos às quais as torres podem vir a ser submetidas durante sua utilização.
As ações utilizadas no dimensionamento podem ser traduzidas em cargas permanentes e cargas variáveis.
Segundo Rodrigues (2015), deve-se considerar o peso próprio como carga permanente, ações variáveis onde estão implícitas, devido às condições climatéricas e zoneamento, as ações do vento e o gelo e ações devido à manutenção da estrutura.
Para as cargas permanentes, tem-se além do peso próprio da torre, o peso dos componentes elétricos e acessórios instalados, assim como o peso dos cabos condutores e pára-raios sustentados pela torre.
A incidência transversal, longitudinal ou oblíqua de vento é capaz de gerar esforços muito significantes na estrutura, e por causa disso, em geral o vento é a ação que rege o dimensionamento. Devido à elevada esbeltez e peso reduzido que em geral as estruturas das torres apresentam devido à concepção treliçada, a incidência de ventos é capaz de gerar grandes esforços na estrutura e nas fundações.
Durante a atuação do vento, a estrutura treliçada da torre e as fundações são submetidas à esforços de compressão e tração, ocorrendo também o surgimento de componentes horizontais. Segundo Azevedo (2004), a condição de compressão ou de tração máxima ocorre em dois pés adjacentes simultaneamente caso o vento atue na direção transversal ao eixo da linha, resultando em dois pés comprimidos e dois pés tracionados, sendo esse é o caso da maioria das torres de suspensão.
Figura 15 - Foto esforço lateral de vento FONTE: CIGRÉ, 2010
Figura 16 - Representação de direção de incidência de vento variável FONTE: Acerto Autor
Outro ponto que deve ser dada atenção durante o dimensionamento das torres, é a consideração da incidência de gelo sobre todos os elementos constituintes.
O acúmulo de gelo causa um aumento no peso da estrutura e dos cabos por ela suportados.
Figura 17 - Foto de acúmulo de gelo nos cabos condutores.
FONTE: CIGRÉ, 2010
Para as cargas variáveis de natureza climática, além da ação do vento e o acréscimo de peso devido à acumulação de gelo, mencionado por Rodrigues, Azevedo (2004) complementa indicando a importância de o dimensionamento das torres levar em conta a possível ocorrência de sismos, que impõem acelerações horizontais e verticais à sua estrutura.
Outras cargas variáveis apontadas pelo autor que devem consideradas no dimensionamento são as cargas de montagem, cargas de manutenção, cargas devido à incidência de impactos, cargas provenientes de empuxos de água e/ou solo e, por fim, cargas devido à ruptura de cabos condutores.
Figura 18 - Foto torre metálica em etapa de montagem FONTE: Acervo Autor
“Para as torres de LT, é desenvolvido um projeto único para cada tipo de torre em função de seu desempenho, por exemplo, um único projeto de torre de suspensão. E esse projeto contempla as várias composições de montagem da torre, como por exemplo, a torre pode ser montada com extensões, e com várias combinações de altura de pés, inclusive desnivelados, para atender a todas as situações de aplicação nos locais de projeto.” (AZEVEDO, 2004, p. 46)
A partir das possíveis cargas, são definidas as diversas hipóteses de combinações de carregamentos, conforme o exemplo mostrado na Figura 20, que definem as árvores de cargas atuantes na estrutura das torres conforme o exemplo mostrado na Figura 19 .
Figura 19 - Árvore de cargas em torre autoportante FONTE: Acerto BRAMETAL
Figura 20 - Exemplo de hipóteses de carregamento FONTE: Acerto BRAMETAL
Para todas as hipóteses de carregamento, são calculadas as resultantes dos esforços nas fundações, evidenciada no esquema da Figura 21. De acordo com Milititsky (2019) e Paladino (1985), a ordem de grandeza dessas cargas atuantes, de acordo com o tipo de torre e de esforço, são:
Para torres autoportantes de suspensão:
• Compressão de 15 t a 80 t;
• Tração de 10 t a 60 t;
• Horizontal de 1 t a 10 t;
Para torres autoportantes de ancoragem:
• Compressão de 30 t a 180 t;
• Tração de 20 t a 160 t;
• Horizontal de 5 t a 30 t;
Para torres estaiadas:
• Compressão no mastro de 30 t a 70 t;
• Horizontal no mastro de 2 t a 5 t;
• Tração no estai de 15 t a 30t;
Figura 21 - Representação esforços nas fundações.
FONTE: Acerto BRAMETAL
2.6 FUNDAÇÕES DE TORRES DE LINHAS DE TRANSMISSÃO 2.6.1 Tipos de Fundações
As fundações de torres de linhas de transmissão, assim como as fundações de estruturas convencionais, são parte do sistema formado entre o terreno e o elemento estrutural em si, e têm como objetivo principal a transferência de cargas ao terreno. As fundações podem ser classificadas em dois tipos: rasas e profundas.
Segundo Albuquerque (2020), a principal característica das fundações rasas é a forma de transmissão das cargas ao solo, que ocorre unicamente pela base do elemento. Segundo Aoki (2011), a superfície de ruptura obrigatoriamente atinge a superfície do terreno, possibilitando os modos de ruptura geral e por puncionamento.
Para as fundações profundas, Albuquerque (2020) indica que os esforços são transmitidos ao terreno através da base ou pelo fuste do elemento, podendo ocorrer também uma combinação de ambas as parcelas de colaboração. Neste caso, a superfície de ruptura não atinge a superfície do terreno.
É apresentada na imagem a seguir, a distinção entre fundações diretas e profundas segundo os autores Velloso e Lopes (2010), com a representação da superfície de ruptura que atinge e não atinge a superfície do terreno, respectivamente.
Figura 22 – Distinção entre fundações diretas e profundas FONTE: Velloso e Lopes, 2010
Para torres de linhas de transmissão, são empregados comumente pelos projetistas os seguintes tipos de fundações: Sapatas, tubulões, estacas, grelhas metálicas, blocos de concreto armado, vigas pré-moldadas, placas inclinadas e tirantes.
2.6.2 Critérios para Escolha de Fundações
De acordo com Rebello (2008), a escolha da solução de fundação mais adequada para transmissão dos esforços ao terreno depende de fatores técnicos e econômicos. É ideal que se tenha o conhecimento prévio das cargas a serem transferidas ao solo, do local de implantação e da sondagem de reconhecimento do terreno.
A escolha entre fundação profunda ou rasa é determinada, segundo Rebello (2008), através do SPT, estipulando uma relação N determinada através da razão entre o número de golpes e a profundidade. As fundações diretas são mais econômicas quando a relação N é maior ou igual a 8, sendo a profundidade limitada a 2 m. Para fundações profundas, inverte-se esse cenário, sendo mais econômico utilizá-las quando a relação N é inferior a 8 e a profundidade mínima de 2 m.
Segundo Albuquerque e Garcia (2020), é necessário o conhecimento da intensidade, formatos e sentidos das cargas aplicadas nas fundações, características geológicas e geotécnicas do subsolo, informações do nível do lençol freático no local, além de que se tenha conhecimento das condições do mercado no local de implantação.
A disponibilidade de materiais e de processos executivos pode ser limitada dependendo da região, o que pode acarretar em um aumento de custo significativo, a ponto e inviabilizar a utilização de certos tipos de soluções para fundações da obra.
Em geral, os locais de implantação de torres de linhas de transmissão são bem afastados de quaisquer edificações, o que indica que a vibração causada pelo cravamento de estacas não é um problema, já que não há chances de a vibração causar danos estéticos ou até estruturais às edificações vizinhas.
Em geral, a solução de fundações rasas é mais aconselhada em locais cujo perfil do terreno apresente boa competência, estando apto a receber os esforços já nas camadas mais rasas, podendo apresentar valores de NSPT ≥ 15 ou até apoiados diretamente sobre o maciço rochoso. O cenário ideal é descrito com a ausência de água dos lençóis subterrâneos, já que sua presença dificulta a execução desse tipo de fundação, podendo, entretanto, ser realizado um rebaixamento do nível com a utilização de bombas.
Um outro fator que costuma ser limitante para a adoção de fundações do tipo rasa em estruturas convencionais é a relação direta que ocorre entre a ordem de grandeza da carga e a área necessária da base da fundação. Para cargas elevadas de compressão, a área das sapatas torna-se muito elevada, podendo causar sobreposição de áreas entre elementos muito próximos ou até mesmo inviabilizar a obra devido à quantidade de material necessária para sua execução.
Segundo Milititsky (2019), sem sombra de dúvidas as condições do subsolo são preponderantes na escolha das fundações. A existência de camadas de solos com características expansivas ou colapsíveis em pequenas profundidades, assim como solos cársticos com grande possibilidade de vazios em maiores profundidades, podem acarretar em problemas graves para os elementos estruturais e para a obra como um todo.
Além disso, Albuquerque e Garcia (2020) trazem a reflexão quanto ao tempo desprendido para a execução dos elementos de fundação, que varia de acordo com o método executivo adotado. Devido ao custo de mobilização dos equipamentos, busca-se sempre o menor tempo possível de mobilização e utilização destes equipamentos para a execução das fundações.
Milititsky (2019) afirma também sobre a necessidade de analisar a durabilidade dos materiais a serem empregados nas fundações, que podem variar de acordo com a agressividade do meio e o tempo de utilização da estrutura projetada.
Devem ser observados o consumo mínimo de cimento, fck do concreto, cobrimento de armaduras e proteção de soldas e elementos metálicos.
