UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo
FERNANDA MACIEL GAVIOLI
ESTUDO DE CASO DA FUNDAÇÃO DE UMA
UNIDADE AEROGERADORA
CAMPINAS 2018
FERNANDA MACIEL GAVIOLI
ESTUDO DE CASO DA FUNDAÇÃO DE UMA
UNIDADE AEROGERADORA
Dissertação de Mestrado apresentada a Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Unicamp, para obtenção do título de Mestra em Engenharia Civil, na área de Estruturas e Geotécnica.
Orientador: Prof. Dr. Paulo José Rocha de Albuquerque ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA
DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELA ALUNA FERNANDA MACIEL GAVIOLI ORIENTADA PELO PROF. DR. PAULO JOSÉ ROCHA DE ALBUQUERQUE.
ASSINATURA DO ORIENTADOR
______________________________________
CAMPINAS 2018
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E
URBANISMO
ESTUDO DE CASO DA FUNDAÇÃO DE UMA UNIDADE
AEROGERADORA
FERNANDA MACIEL GAVIOLI
Dissertação de mestrado aprovada pela Banca Examinadora, constituída por:
Prof. Dr. Paulo José Rocha de Albuquerque
Presidente e Orientador/FEC-UNICAMP
Prof. Dr. David de Carvalho
FEC-UNICAMP
Prof. Dr. Ricardo Nascimento Flores Severo
UFRN
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no SIGA/Sistema de Fluxo de Dissertação/Tese e na Secretaria do Programa da
Unidade.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a todas as pessoas que diretamente e indiretamente contribuiram para meu ingresso e conclusão do mestrado.
A Deus por me dar saúde e determinação.
Ao meu orientador Prof. Dr. Paulo J. R. Albuquerque pelo paciência, atenção e por acreditar que essa tese se concretizaria.
Agradeço à Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Unicamp pela oportunidade de desenvolver meus estudos ao longo de minha graduação e mestrado, a todos os professores e colaboradores que estiveram envolvidos ao longo deste período, sempre auxiliando e colaborando para que eu pudesse concluir o mestrado, apesar das adversidades.
Aos meus pais Antônio e Maria Valéria por zelarem por mim e me incentivarem. A equipe de excelentes profissionais que me acompanharam ao longo desta jornada, em especial ao Eng. José Luiz de Paula Eduardo, diretor e responsável pela empresa em que trabalho APOIO ASSESSORIA E PROJETOS DE FUNDAÇÕES S/S LTDA e também ao Eng. Fabio Ricci, ambos sempre me orientando, apoiando e incentivando a conclusão de mais essa etapa em minha vida.
RESUMO
O crescimento e desenvolvimento, mundial e brasileiro, de energias renováveis e limpas vêm demonstrando que é necessário o estudo de métodos de análise, dimensionamento e execução desses projetos a fim de nos demonstrar uma situação mais verossímil com a realidade da obra e evitar qualquer tipo de patologia futura. Neste contexto, esta pesquisa desenvolveu um estudo sobre o dimensionamento de fundações para torres Aerogeradoras, tratando também da consideração da Interação Solo-Estrutura (ISE) em projetos estruturais de bases de torres aerogeradoras armadas sobre fundações superficiais do tipo “sapatas isoladas”. É realizada uma revisão bibliográfica sobre os principais conceitos e trabalhos desenvolvidos na área de interação solo-estrutura e sobre os métodos de análise de projeto a serem adotados. É apresentado um estudo de caso no qual tem por objetivo comparar efetivamente os resultados quando considerada a interação solo-estrutura, rigidez e deformação das sapatas. Para a realização do estudo, foi utilizada a ferramenta computacional Strap 2013 - programa desenvolvido pela empresa Atir Engineering Software Development Ltda - o qual permite a análise estrutural pelo método de elementos finitos. Os resultados obtidos neste trabalho serão comparados e posteriormente analisados avaliando-se quão relevante é uma análise estrutural considerando a interação solo-estrutura, mais especificamente a deformabilidade das sapatas, ainda que de forma simplificada, em substituição à hipótese de apoios indeslocáveis.
Palavras-chaves: Aerogeradores, Interação solo-estrutura, Método dos Elementos
ABSTRACT
The global and Brazilian growth and development of clean and renewable energies has demonstrated that it is necessary to study methods of analysis, design and execution of these projects in order to demonstrate a more plausible situation with the reality of the work and avoid any kind of pathology. In this context, this research developed a study on the design of foundations for wind turbine towers. Working also with the consideration of the Soil-Structure Interaction (ISE) in structural projects of aerogenerator towers bases on superficial foundations of the type "isolated shoes". A bibliographic review is carried out on the main concepts and works developed in soil-structure interaction and on the methods of project analysis to be adopted. A case study is presented in which the objective is to effectively compare the results when considering the soil-structure interaction, stiffness and deformation of the shoes. In order to carry out the study, the computational tool Strap 2013 - a program developed by Atir Engineering Software Development Ltda. was used - which allows the structural analysis by the finite element method. The results obtained in this work will be compared and later analyzed evaluating how relevant is an analysis considering the soil-structure interaction, more specifically the deformability of the shoes, albeit in a simplified way, replacing the hypothesis of unsupported supports.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Potencial eólico instalado no ano de 2016 no mundo. ... 20
Figura 2 - Potencial eólico até o ano de 2016cumulado até o ano de 2014, no mundo. ... 20
Figura 3 - Velocidade Média Anual do Vento a 50 m de altura. ... 22
Figura 4 - Turbina com eixo vertical do tipo Savonius. ... 23
Figura 5 – Turbina de Sustentação ... 23
Figura 6 - Turbina de Eixo Horizontal. ... 24
Figura 7 - Turbinas de eixo horizontal ... 25
Figura 8 - Turbina com eixo vertical do tipo Darrieus. ... 25
Figura 9 - Componentes Básicos de um Aerogerador de Eixo Horizontal. ... 26
Figura 10 – Esforços Atuantes na Fundação de um Aerogerador. ... 27
Figura 11 – Método de Winkler – Solo discretizado através de molas. ... 33
Figura 12 – Modelo de trabalho – Superfície de Plastificação. ... 55
Figura 13 – Localização do Municipio de Paranatama. ... 58
Figura 14 - Carta Geológica do Brasil. ... 59
Figura 15 – Sistema de Coordenadas. ... 63
Figura 16 – Diagrama de Tensões - Sapatas. ... 66
Figura 17 – Sapata em corte ... 67
Figura 18 – Sapata Circular carregada excentricamente. ... 67
Figura 19 – Modelo de Winkler – Recalques e Pressões de contato. ... 69
Figura 20 – Sapata em Corte – Dimensões de Projeto. ... 70
Figura 21 – Relação entre coeficiente de Recalque x Largura da Fundação ... 76
Figura 22 – Ábaco para determinação do fator de correção λ (λ=0,95) . ... 78
Figura 23 – Sapata em Planta – Discretização da Sapata (917 nós e 904 elementos). ... 80
Figura 24 – Sapata em 3D com chumbadores. ... 81
Figura 25 – Deformações na base da sapata. ... 83
Figura 26 – Estado Limite de Serviço – Tensão no Solo σmax=1,75kg/cm2 ... 84
Figura 27 – Estado Limite de Utilização – Tensão no Solo σmax=2,62kg/cm2 ... 85
Figura 28 – Estado Limite de Serviço – Fchumbadores=187 kN ... 86
Figura 29 – Estado Limite de Último – Fchumbadores=474 kN ... 86
Figura 30 – Ensaio de Placa – Fases de Carregamento e Descarregamento ... 87
Figura 31 – Deformação na base da sapata ... 90
Figura 32 – Estado Limite Serviço – σmax=1,82kg/cm2 ... 91
Figura 33 – Estado Limite Último – σmax=2,596kg/cm2 ... 92
Figura 34 – Estado Limite Último – Fmax=203 kN ... 93
Figura 35 – Estado Limite Último – Fmax=501kN ... 93
Figura 36 – Deformação da Base ... 94
Figura 37 – Tensão na base – σmax = 211,4 kgf/cm2 ... 95
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Valores de Ks (kN/m³) – (Terzaghi, 1955) ... 45
Tabela 2 – Valores de Ks (kN/m³) (Moraes, 1976) ... 45
Tabela 3 - Fator de Influência Iw para sapatas rígidas e flexíveis. ... 48
Tabela 4 - Valores de K de acordo com Teixeira e Godoy (1996) ... 48
Tabela 5 – Situação SW sem fator de segurança ... 62
Tabela 6 – Situação SW com fator de segurança ... 62
Tabela 7 – Situação CWE, sem fator de segurança ... 62
Tabela 8 – Situação CWE, com fator de segurança ... 62
Tabela 9 – Deslocamento da base... 63
Tabela 10 – Tombamento da Base ... 63
Tabela 11 – Deslizamento da Base ... 63
Tabela 12 –Tração da Base ... 63
Tabela 13 –Fadiga ... 63
Tabela 14 – Coeficientes correção excentricidades. ... 67
Tabela 15 – Resultados das Tensões na Base - MEF. ... 74
Tabela 16 – Fatores de Segurança – Método Rígido. ... 75
Tabela 17 – Fatores de Redução – Fr ... 76
Tabela 18 – Coeficiente de Poison ... 77
Tabela 19 – Módulo de Deformabilidade ... 77
Tabela 20 – Fatores de Influência do Recalque ... 78
Tabela 21 – Parâmetros adotados inicialmente - MEF. ... 79
Tabela 22 – Parâmetros adotados inicialmente - MEF. ... 81
Tabela 23 – Especificações Carregamentos. ... 82
Tabela 24 – Especificações Carregamentos. ... 88
Tabela 25 – Coeficientes de Deformabilidade do Solo. ... 88
Tabela 26 – Coeficientes de rigidez dos Chumbadores. ... 89
Tabela 27 – Coeficientes de rigidez dos Chumbadores inicial e final... 89
Tabela 28 – Resultados das tensões máximas na base da sapata... 97
Tabela 29 – Resultados Recalques obtidos na base da sapata ... 98
LISTA DE SÍMBOLOS
kv- Módulo de Reação Vertical; 𝐴𝑓- Área da fundação;
σ(x, y) - tensão de contato média na base da fundação; ρ(x, y) - deslocamento vertical (recalque);
B = menor dimensão da base da sapata; ν = coeficiente de Poisson;
Iw = fator de influência;
Es = módulo de Elasticidade do solo; E – Módulo de Elasticidade do material; – Tensão Normal;
– Deformação Normal; – Tensor das Tensões;
– Matriz constitutiva elástica cujos coeficientes são determinados a partir do material; – Tensor das deformações;
A = área da sapata; r = raio da base da sapata;
b = dimensão menor da base da sapata; N = carga de serviço;
P = peso próprio;
σadm = pressão admissível do terreno; e – excentricidade da sapata;
Mest - Momento estabilizante; Mdesest - Momento desestabilizante; 𝐹𝑆 - Fator de Segurança;
Vc – Volume de Concreto;
Vt- Volume de Terra sobre a base; 𝛾 Peso Específico do Solo;
N – Esforço vertical; H – Esforço horizontal; M – Momento; c- Coesão;
Ce
𝜙 - Ângulo de Atrito; Ea – Empuxo Ativo; Ep – Empuxo Passivo;
IN-02/94 - Instrução Normativa para Descrição de Testemunho deSondagens Rotativas e Parâmetros Geomecânicos.
SW – Standart Weather
Sumário
1. INTRODUÇÃO ... 14 2. JUSTIFICATIVA ... 16 3. OBJETIVOS... 17 3.1. Geral ... 17 3.2. Específicos ... 17 4. ESCOPO DO ESTUDO ... 18 5. REVISÃO DE LITERATURA ... 195.1. Potencial Eólico Mundial ... 19
5.2. Potencial Eólico Brasileiro ... 20
5.3. Aerogeradores ... 22
5.4. Tipos de Carregamentos ... 26
5.5. Investigações Geotécnicas e Determinação dos Parâmetros Geotécnicos ... 28
5.6. Fundações de Aerogeradores ... 30
5.6.1. Fundações Diretas ... 30
5.7. Interações Solo-Estrutura (ISE) ... 31
5.7.1. Trabalhos desenvolvidos sobre a ISE ... 33
5.7.2. Trabalhos desenvolvidos sobre fundações de torres eólicas ... 42
5.8. DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE REAÇÃO VERTICAL ... 43
5.8.1. Módulo de Reação Vertical ... 44
5.8.2. Módulo de Reação Vertical – Ensaio de Placa ... 46
5.8.3. Módulo de Reação Vertical - Correlações ... 47
5.9. Considerações Gerais sobre Elementos Finitos ... 49
5.10. Modelagem numérica ... 50
5.10.1. Modelo Linear e Elástico ... 51
5.10.2. Modelo não linear e elástico – Hiperbólico ... 51
5.10.3. Modelo Elastoplástico ... 52
5.10.4. Modelo elástico - perfeitamente plástico (Mohr- Coulomb) ... 54
5.10.5. Modelo ElastoPlastico de Lade-Kim ... 56
6. MATÉRIAIS E MÉTODOS ... 58
6.1. Dados Disponíveis ... 58
6.1.1. Estudo de Implantação ... 60
6.1.3. Especificações – Fundação Direta em Sapata ... 64
6.1.4. Os Métodos de Dimensionamento ... 64
7. FORMA DE ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 69
7.1. Verificação da Estabilidade Global ... 70
7.1.1. Tombamento ... 70
7.1.2. Escorregamento ... 72
7.1.3. Tensão na Base ... 74
7.1.4. Resumo dos Fatores de Segurança ... 74
7.1.5. Estimativa dos Recalques ... 75
7.2. Análise da Sapata – MEF ... 79
7.2.1. Discretização da Sapata ... 79
7.2.2. Combinações dos carregamentos ... 81
7.2.3. Resultados ELS e ELU – PARÂMETROS DE PROJETO ... 82
8. ENSAIO DE PLACA ... 87
9. ENSAIO ARRANCAMENTO DOS CHUMBADORES ... 88
10. PROCESSAMENTOS COM REFINAMENTO PARÂMETROS ... 90
11. SINTESE DAS ANÁLISES ... 96
12. CONCLUSÃO ... 99
REFERÊNCIAS ... 100
1. INTRODUÇÃO
Atualmente são crescentes os investimentos em fontes alternativas de produção de energia em todo o mundo, podendo ser destacadas as energias limpas renováveis. A capacidade mundial de geração de energia se encontra limitada, ora por indisponibilidade de recursos hídricos, ora por riscos ambientais com o desenvolvimento das usinas nucleares. Neste contexto, se destaca a energia eólica como fonte de energia economicamente viável e limpa, que tem passado por um grande desenvolvimento tecnológico nos últimos anos. O desenvolvimento de estudos e implantação dos parques eólicos iniciou-se no continente europeu, sendo hoje o detentor do maior parque eólico mundial (cerca de 61% da energia produzida mundialmente é eólica). Porém, o rápido crescimento e desenvolvimento deste “novo” tipo de geração de energia nos mostra a necessidade de se realizarem estudos mais detalhados sobre os processos específicos relacionados ao dimensionamento, execução e peculiaridades sobre estes tipos de obra. Deste modo, a determinação do tipo de fundação para qualquer projeto estrutural, em especial as torres eólicas, é etapa fundamental para um bom desenvolvimento do projeto e funcionamento ao longo de sua vida útil, considerando a magnitude e o custo que estas obras possuem.
No passado era frequente a análise do solo e da estrutura de forma independentes. Tipicamente os engenheiros estruturais consideravam os apoios indeslocáveis e todos os cálculos dos esforços eram realizados nestas condições. Os projetos de fundações, por consequência, eram elaborados com base nos carregamentos originados da primeira fase de projeto, adotando-os como uma realidade incontestável. Assim, desconsiderava-se a influência da rigidez da superestrutura e também o nível de deformação que o solo era submetido durante a construção e vida útil da edificação, obra de arte, etc.
O cenário atual evidencia que ainda é pratica rotineira o cálculo de estruturas ignorando a presença de uma estrutura deformável sob a base. Porém felizmente o assunto interação solo-estrutura, juntamente com sua aplicabilidade, vem sendo disseminados dentre o meio acadêmico e também profissional. A literatura sobre o assunto é bastante vasta e nos demonstra uma crescente evolução. Vários tipos de obras vêm sendo estudadas, sob a perspectiva da interação solo-estrutura, tais como edifícios, construções de túneis, edificações assentes nas proximidades de taludes e obras de arte. Neste projeto se dará ênfase às usinas eólicas.
Há diversas etapas em que qualquer projeto de fundações deve ser criteriosamente submetido: investigação do subsolo, análise de soluções, elaboração do projeto, processo de auditoria do projeto, supervisão de execução e liberação, comparação com resultados obtidos em outras obras do mesmo segmento. Todas essas etapas são fundamentais para um bom desenvolvimento do projeto e principalmente seu funcionamento perfeito durante a vida útil.
Neste trabalho serão abordadas as diretrizes e conceitos básicos para um projeto de fundações de aerogeradores juntamente com um estudo de caso demonstrando a interação solo-estrutura por meio do Método de Elementos Finitos. As torres eólicas relacionadas ao estudo de caso estão localizadas no município de Paranatama – PE, denominado “Complexo Eólico Serra das Vacas”.
2. JUSTIFICATIVA
O rápido crescimento dos parques eólicos e o desenvolvimento de novas tecnologias ligadas à energia eólica justifica a necessidade de estudos mais detalhados sobre os processos específicos deste tipo de obra.
Em contrapartida, existem disponíveis no meio acadêmico poucos trabalhos abordando este tema. Assim a motivação de se realizar um estudo de fundações de aerogeradores se torna justificável e tem como principal objetivo agregar conhecimento aos projetistas, equipe técnica envolvida e nortear decisões a serem tomadas para os sítios que estão para serem construídos.
Nesta dissertação será abordado o tema interação solo-estrutura. Muito pouco difundido entre projetistas, o assunto vem ganhando destaque no meio acadêmico por demonstrar na maioria das vezes situação mais próxima da realidade, onde se consideram variáveis que podem influenciar no resultado final, sendo as principais: deformabilidade do solo e rigidez da estrutura. Este tipo de análise será realizada para as fundações dos aerogeradores, simulando a interação solo-estrutura e comparando os resultados obtidos com outros métodos de análise rígida, a fim de concluir sobre a viabilidade deste tipo de análise para projetos de fundações de aerogeradores.
Existem duas vertentes de método de cálculo de estruturas na Engenharia Civil, os que consideram a interação solo-estrutura e os que desprezam essa interação. Ambos considerados corretos, porém a primeira vertente (ISE) com resultados mais apurados e realistas, possibitando a viabilização de soluções de forma diferente se comparada a uma análise convencional.
Todo método de cálculo consiste na aplicação de ações a uma estrutura idealizada. Em função da reologia dos materiais que constituem a estrutura e o solo, chega-se a esforços solicitantes e deslocamentos resultantes devido a estes esforços. De todas as soluções aproximadas de equações diferenciais, a aplicação do Método dos Elementos Finitos é a mais utilizada, devido ao grande desenvolvimento de softwares, computadores e pesquisas. Sendo assim, neste trabalho serão apresentadas todas as análises de interação solo-estrutura com base no Método de Elementos Finitos.
3. OBJETIVOS
3.1. Geral
O objetivo deste trabalho é o estudo da interação solo-estrutura aplicado à uma torre eólica, com base em um estudo de caso, assim como avaliar os efeitos que esta interação causa nos elementos que compõem a fundação, de forma a garantir a eficácia, vida útil dos aerogeradores e um modelo mais verossímil e coerente com a realidade.
3.2. Específicos
• Dimensionamento com base na caracterização geotécnica do local; • Determinar parâmetros de controle (método rígido e MEF);
• Avaliar deformabilidade e tensões aplicadas nas sapatas;
• Comparação de resultados obtidos para ambos os métodos (rígido e MEF); • Demonstrar a importância da ISE para projetos com esta magnitude.
4. ESCOPO DO ESTUDO
Esta dissertação apresenta os seguintes assuntos nos itens seguintes:
O item 5 apresenta o panorama mundial da energia eólica bem como sua evolução ao longo do tempo. Também é abordado o tópico sobre aerogeradores, definição, tipos, mecanismos de funcionamento mais utilizados para geração de energia eólica. Neste item, serão apresentados os tipos de carregamentos em que esta estrutura é submetida, os estados limites de utilização e de serviço, todos estes fornecidos pelo fabricante das estruturas que compõem os aerogeradores. Na sequência, será abordado o tema investigação de campo, etapa primordial do projeto, realizada com critério e qualidade a fim de não gerar dúvidas sobre soluções de projeto adotadas e previsão do comportamento do solo quando submetido aos carregamentos provenientes da estrutura. Por fim, o tema interação solo-estrutura e o método de análise escolhido para avaliar o sistema estrutural em questão.
No item 6 serão abordados os materiais e métodos, serão apresentadas informações relativas à obra em estudo, ensaios de placa e também de arrancamento dos chumbadores que compõem o sistema fundação (sapatas associadas a chumbadores).
No item 7 serão apresentadas as modelagens das fundações e do solo circunvizinho adotando os parâmetros iniciais de projeto, feitas no programa (Strap 2013 - Atir Engineering Software Development Ltda).
No item 8 será abordado os resultados do ensaio de placa e aplicações quanto ao refinamento dos parâmetros geotécnicos iniciais.
No item 9 será apresentado os resultados referentes ao ensaio de arrancamento dos chumbadores e o refinamento do parâmetro inicial de deformação do chumbador.
No item 10 serão apresentadas as modelagens com o refinamento de parâmetros, com base nos ensaios de placa e de arrancamento dos chumbadores e consequentemente analisando os valores obtidos confrontados com os valores iniciais, obtidos no item 7.
No item 11 será apresentada a sintese das análises, mediante os resultados apresentados (itens 7 e 10) comparando-se os resultados obtidos para evidenciar a importância da consideração da interação solo-estrutura nesse tipo de projeto.
No item 12 será apresentada uma conclusão, demonstrando que através dos resultados obtidos, os objetivos foram alcançados e reforçando que a consideração da interação solo-estrutura para este tipo de estrutura é muito importante.
5. REVISÃO DE LITERATURA
Neste item, serão abordados os principais assuntos relacionados à área de geração de energia eólica, sendo eles: desenvolvimento da energia eólica no mundo e no Brasil, funcionamento e tipos de aerogeradores, processo de interação solo-estrutura e método de análise deste tipo de interação através de elementos finitos. Em cada um destes sub-itens será abordado o desenvolvimento do assunto ao longo do tempo e conceitos básicos pertinentes à compreensão do tema em estudo.
5.1. Potencial Eólico Mundial
A energia eólica pode ser definida como a energia cinética contida nas massas de ar em movimento, sendo considerada renovável e limpa devida sua matéria prima. Seu aproveitamento ocorre por meio da conversão de energia cinética de translação em energia cinética de rotação, através da utilização de turbinas eólicas, denominadas aerogeradores. A quantidade de energia transferida é diretamente proporcional a densidade do ar, da área coberta pela rotação das pás (hélices) e da velocidade do vento.
Após a crise internacional do petróleo, em 1970, século XX, as grandes potencias começaram a desenvolver tecnologias ligadas à geração de energia eólica, tendo como principal objetivo a diversificação da matriz energética e a diminuição da dependência dos combustíveis fósseis, podendo-se destacar os EUA e alguns países da Europa.
Segundo o GWEC (2016), foi atingido o recorde de crescimento em geração de energia eólica no ano de 2016, chegando à marca de 54,6 GW pela primeira vez, conforme apresentado na Figura 01. A China (34,7%) e o EUA (16,9%) são responsáveis pelo maior potencial acumulado conforme apresentado na Figura 02.
Fonte: Global Wind Energy Report – Annual Market Update 2016.
Fonte: Global Wind Energy Report – Annual Market Update 2016.
5.2. Potencial Eólico Brasileiro
Além de ser uma fonte renovável, competitiva e limpa, a energia eólica se apresenta como fonte complementar à fonte hidrelétrica, na medida em que os melhores ventos ocorrem nos períodos de menor regime de chuvas. A geração eólica auxilia na recomposição dos níveis dos reservatórios, ou seja, possibilita a formação de acúmulo de água para geração futura e diversifica a matriz energética brasileira, atualmente grande dependente do setor hidrelétrico.
Figura 2 - Potencial eólico até o ano de 2016
cumulado até o ano de 2014, no mundo.
Segundo a ANEEL, embora ainda haja divergências entre especialistas e instituições na estimativa do potencial eólico brasileiro, vários estudos indicam valores extremamente consideráveis. Até poucos anos, as estimativas eram da ordem de 20.000 MW, jã hoje a maioria dos estudos indica valores maiores que 60.000 MW. Essas divergências ocorrem devido à adoção de diferentes metodologias de análise e também falta de informações (dados da superfície do terreno).
Segundo Moura, 2007, os primeiros protótipos de Aerogeradores foram construídos no Rio Grande do Norte, em 1977, e desativados por problemas de corrosão e fadiga. A primeira turbina eólica de porte médio, destinada à geração comercial de energia elétrica foi construída em Pernambuco, na ilha de Fernando de Noronha.
Os primeiros estudos relacionados a energia eólica foram feitos na região Nordeste, principalmente no Ceará e em Pernambuco. Com o apoio da ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) e do Ministério de Ciência e Tecnologia – MCT, o Centro Brasileiro de Energia Eólica – CBEE, da Universidade Federal de Pernambuco – UFPE publicou em 1998 a primeira versão do Atlas Eólico da Região Nordeste. A continuidade desse trabalho resultou no Panorama do Potencial Eólico no Brasil, conforme apresentado na Figura 3.
No Brasil houve a criação do Programa de Incentivos às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (Proinfa), que tinha como principal objetivo ampliar a participação das fontes alternativas na matriz elétrica (energia eólica, biomassa e pequenas centrais hidroelétricas PCH no Sistema Elétrico Interligado Nacional - SIN). O programa foi instituído em 2004, com previsão para funcionamento dos sites de geração de energia em 2010. Muito importante para o Brasil, o Proinfa foi o responsável pela inserção do país no ranking mundial Top10 em energias renováveis no ano de 2012.
Fonte: FEITOSA, E. A. N. et al. Panorama do Potencial Eólico no Brasil. Brasília, 2003.
5.3. Aerogeradores
As turbinas eólicas podem ser classificadas quanto à forma de aproveitamento eólico: arraste ou de sustentação. As de sustentação são classificadas quanto à orientação do eixo, como eixo vertical ou horizontal, e as horizontais, quanto à posição do rotor em relação à torre, como “upwind” ou “downwind”. Também podem ser “on-shore” (sobre terreno) ou
“off-shore” (sobre águas).
As turbinas de arraste possuem pás com um formato semelhante a conchas e, com a movimentação dos ventos, há uma força de arraste atuando diretamente nas pás. A velocidade das pás nunca é superior a velocidade do vento e é comum a adoção de várias pás a fim de maximizar a área de arraste. Existem três tipos de turbinas de arraste, tipo Savonius, tipo
Darrieus e a associação de ambas. A turbina do tipo Savonius (Figura 4) é um dispositivo com duas ou mais pás em forma de conchas e muito utilizado em anemômetros e sistemas de ventilação.
Fonte: http://netzeroguide.com/savonius-wind-turbine.html (Acesso em 15 de out. 2017)
As turbinas de sustentação (Figura 5) possuem as pás em formato de hélices e possuem o mesmo princípio dos aerofólios. O movimento se dá pela força de sustentação, gerada pelo diferencial de pressão entre as superfícies superiores e inferiores das pás. Este tipo de turbina pode ser classificado como turbinas de eixo horizontal e vertical.
Fonte: Global Wind Energy Report – Annual Market Update 2014.
Figura 4 - Turbina com eixo vertical do tipo Savonius.
As turbinas de eixo horizontal (Figura 6) possuem diferentes números de pás, porém estudos de diversas fontes mostram que quanto menor o número de pás, maior é a velocidade de rotação do rotor. Devido a altas velocidades atingidas pelas pás, ocorre seu desbalanceamento em relação ao rotor, criando assim a necessidade de torres com estruturas mais robustas e com amortecedores, devido à introdução de cargas adicionais. Atualmente, são comercializados aerogeradores com um número ótimo de três pás, pois nessa situação ocorre uma melhor distribuição de tensões durante a rotação da máquina para acompanhar a direção do vento. É importante ressaltar também que boas relações de massa, vibração e ruídos em relação ao custo da estrutura e eficiência energética demonstram que o aerogerador com três pás é mais eficiente.
Fonte: Global Wind Energy Report – Annual Market Update 2014.
Em relação às turbinas de eixo horizontal, podemos classificá-las de duas maneiras: turbinas downwind e turbinas upwind.
As turbinas downwind possuem uma inclinação na colocação das pás e recebem o vento por trás da turbina eólica, por isso não necessitam de um mecanismo de redirecionamento. Entretanto, esta configuração exige maior flexibilidade do rotor, gerando ruídos audíveis que dificultam a aceitação deste tipo de turbina. Elas não podem ser utilizadas em sistemas de
grande porte, devido ao risco de colisão das pás com a torre, em altas velocidades de vento, conforme apresentado na Figura 7. Nas turbinas upwind, o rotor eólico é montado antes da torre, ou seja, o vento incide primeiramente sobre o rotor, e, portanto, é necessário controle ativo para orientação do rotor em relação ao vento. Estas turbinas são as mais utilizadas, principalmente em sistemas de grande porte.
Fonte: Turbine Topologies (Acesso em 15 de out. 2017)
As turbinas de eixo vertical, teoricamente também podem conter inúmeras pás, mas não apresenta um bom aproveitamento energético, se comparada às turbinas de eixo horizontal, o que explica seu pouco uso.
Por sua vez, a turbina de sustentação do tipo Darrieus tem uma boa eficiência, mas produz grande oscilação de torque e estresse cíclico na torre, o que contribui para a baixa confiabilidade, conforme apresentado na Figura 8.
Fonte: https://en.wikipedia.org/wiki/Darrieus_wind_turbine (Acesso em 04 de set. 2015)
Figura 7 - Turbinas de eixo horizontal – classificação dos rotores.
Atualmente, o padrão de Aerogeradores utilizados para geração de energia elétrica é constituído por um eixo horizontal fixo, três pás, alinhamento ativo, gerador de indução e estrutura não-flexível.
Na Figura 9, apresenta-se os principais componentes de um Aerogerador com eixo horizontal:
Fonte: Pini Soluções Técnicas (Acesso em 04 de set. 2015).
5.4. Tipos de Carregamentos
Os aerogeradores possuem altura compreendida no intervalo de 75 a 120 m, com pás de 35 a 70 m, de acordo com a potência requerida em projeto. A vida útil de um gerador é de 20 anos ou aproximadamente 175.000 horas.
Os carregamentos neste tipo de estrutura são considerados elevados. Desde as hélices até à fundação, comportam-se de forma cíclica e alternada. Por isso, qualquer componente pode apresentar danos ao longo do tempo, devido à ocorrência do efeito de fadiga e também aos estados limites de utilização e de serviço nos quais os aerogeradores são submetidos.
As principais cargas atuantes na estrutura são o peso próprio dos seus elementos (pás, gerador e mastro) e o vento. O peso próprio é responsável por esforços de compressão, os quais atuam permanentemente. O vento, por sua vez, é responsável por cargas cíclicas, portanto
oscilam em magnitude e direção. Essas cargas variáveis podem provocar momento fletor, tração e torção, tanto no mastro, quanto na fundação, conforme apresentado na Figura 10. Desse modo, a composição de cargas deve considerar, esses fatores. Outras cargas de menor intensidade, que atuam em um curto período de tempo, são devidas à própria execução e montagem da torre, ou por conta da manutenção.
Fonte: Autoria Propria
Devido ao fato de haver diversos fabricantes de turbinas eólicas no mercado, sendo que as características do produto variam de acordo com o fornecedor, é muito importante que os fabricantes contratados forneçam todo o aparato referente aos carregamentos, funcionamento, estados limites, etc.
Todos os carregamentos estudados por este trabalho, incluindo os estados limites, foram fornecidos pelo fabricante contratado, neste caso a GE Power and Water, no documento "Foundation Load Specification for Wind Turbine Generator Systems (1.7 X - 100/60Hz 100 m Rotor Diameter with 79,7 m HH) IEC WTGS Class S SW e CWE - SE Power & Water. O fabricante também fornece cargas de trabalho em duas situações: Standart Weather (SW), na qual é considerado o tempo padrão e Cold Weather Extreme (CWE), na qual é destacado o tempo frio extremo, tendo as seguintes combinações de carga a serem consideradas:
- SW: Casos de carregamentos padrão da máquina quando submetido ao tempo padrão associados a todos os carregamentos.
- CWE: Casos de carregamentos da máquina quando submetido ao tempo frio extremo associados a todos os carregamentos.
Outro conceito que será abordado para o estudo de fundações de torres eólicas, considerando o efeito da Interação Solo-Estrutura, é o efeito de fadiga. Entende-se por fadiga o efeito que conduz à ruptura ou a falha gradual de um material, causando diminuição de sua resistência, devido à repetição de variações de esforços aplicados ao mesmo.
Segundo a NBR6118 (2014), a fadiga é um fenômeno associado a ações dinâmicas repetidas, caracterizando um processo de modificações progressivas e permanentes na estrutura interna de um material submetido à oscilação de tensões decorrentes dessas ações. As cargas médias de fadiga fornecidas são representativas da carga cíclica da turbina eólica (tipicamente 20 anos).
Já em relação aos sistemas estruturais de fundações sob forte ação dinâmica, GAZETAS (2006) aborda que estas estruturas envolvem amplitudes de deslocamentos muito pequenas, sendo que as deformações dinâmicas do solo podem ser admitidas quase que elásticas, sem deformações permanentes e não linearidades desprezíveis.
Por fim, é importante ressaltar que todas as combinações de carregamentos fornecidos pela GE Power and Water estão apresentadas no item materiais e métodos.
5.5. Investigações Geotécnicas e Determinação dos Parâmetros Geotécnicos
O reconhecimento das condições naturais do solo é pré-requisito e etapa fundamental para elaboração de projetos de fundações, seguros e econômicos. Segundo Schnaid (2000), no Brasil estima-se que o custo envolvido na execução das sondagens de reconhecimento varia entre 0,2 a 0,5% do valor total da obra, sendo que as informações geotécnicas obtidas são necessárias para definição de custos fixos associados ao projeto e sua solução.
Todos os projetos geotécnicos são elaborados com base nas informações fornecidas pelos ensaios de campo e também pelos ensaios de laboratório e instrumentação. A estratigrafia do subsolo e determinação das propriedades geomecânicas são características essenciais para avaliação do mesmo.
Devido à grande diversidade de equipamentos e ensaios disponíveis, definir um bom plano de investigação geotécnica é etapa crucial do projeto. Conhecimento, experiência profissional, normas técnicas e práticas regionais são fatores que devem ser levados em conta para determinação de um programa de investigação. Assim é fundamental o apoio de uma
equipe capacitada tanto na elaboração do programa de investigação como também na execução das sondagens e ensaios pertinentes.
O Standart Penetration Test (SPT) é o ensaio de investigação geotécnica mais popular em todo o mundo. Com ele, pode-se obter informações como: a estratificação e constituição das camadas que compõem o subsolo, consistência das camadas, índices de resistência à penetração Nspt a cada metro (índice de resistência dinâmica). As vantagens deste ensaio se comparado com os demais são: simplicidade do equipamento, baixo custo de execução e obtenção de um valor que pode ser relacionado com métodos empíricos. A programação das sondagens deve satisfazer as exigências mínimas definidas pela norma NBR 8036, neste documento é apresentado número mínimo de sondagens por área, localização, profundidade das sondagens entre outros fatores. No Brasil, este ensaio foi normatizado pela ABNT na NBR 6.484/2001 “Solo – Sondagens de simples reconhecimento com SPT – Método de ensaio” (SPT- Standard Penetration Test).
Segundo Odebrecht (2003) existem vários fatores que podem interferir nos resultados obtidos nas sondagens à percussão, podendo-se destacar:
- Calibração do equipamento e a quantidade de energia transferida ao amostrador; - Impelimento do amostrador no solo, sua penetração é resistida pelo atrito lateral entre as partículas de solo/amostrador fazendo com que toda a área de contato com o solo seja afetada pela energia de choque do martelo sendo transmitidas através das hastes.
Desse modo, é importante prudência na utilização dos valores de Nspt fornecidos pelas sondagens, já que é frequente na rotina de projetos de fundações a utilização do valor de Nspt para estimativa de tensão admissível no solo para fundações rasas e também estimativas de capacidades de carga para fundações profundas, baseando-se na atrito lateral acumulado.
Outro ensaio para investigação geotécnica é a sondagem mista, realizada quando há a presença de rocha ou solos impenetráveis à percussão. Este método tem como princípio a coleta de amostras, através de um conjunto motomecanizado que simultaneamente rotaciona e penetra o barrilete no qual possui uma broca diamantada de forma a cortar o material.
Os equipamentos necessários para a execução desta sondagem são: barrilete, camisa livre que preserva o testemunho, coroa diamantada em sua extremidade inferior. Os testemunhos coletados são guardados e posteriormente submetidos a uma análise criteriosa de um geólogo. Nesse sentido, e de acordo com Instrução Normativa para Descrição de Testemunhos de Sondagens Rotativas e Parâmetros Geomecânicos (IN-02/94), os parâmetros a serem analisados são:
✓ Relativos às descontinuidades: grau de fraturamento, características da superfície e inclinações das descontinuidades;
✓ Mistos: Rock Quality Designation (RQD).
Para o estudo de caso deste trabalho, foram utilizadas sondagens a percussão e mistas. A campanha de investigação geotécnica está detalhada no item sobre materiais e métodos.
5.6. Fundações de Aerogeradores
O projeto de fundações geralmente é precedido por uma decisão adotada, conhecendo-se a composição do solo e suas características principais.
Para estudar verdadeiramente uma fundação bem como sua capacidade de carga, recalques e previsão de comportamento futuro, é necessário compreender, primeiramente, que todas estas questões são dependentes do tipo de fundação adotada e também da previsão de cargas admissíveis que os elementos de fundação poderão transmitir, com segurança, ao solo. Essa escolha geralmente está atrelada aos hábitos construtivos da região, condições econômicas disponíveis, mercado de trabalho local, possibilidades tecnológicas, etc.
Para o presente estudo de caso escolheu-se fundação direta em sapata com a associação de chumbadores.
5.6.1. Fundações Diretas
Segundo a norma NBR 6122/2010, a grandeza fundamental para um projeto de fundações diretas é a determinação da tensão admissível se o projeto for feito considerando coeficiente de segurança global ou a determinação da tensão resistente de projeto quando se consideram fatores parciais. Estas tensões devem obedecer simultaneamente aos estados-limites últimos (ELU) e de serviço (ELS), para cada elemento de fundação isolado ou para o conjunto.
Para a determinação da tensão admissível ou tensão resistente de projeto, deve-se levar em conta os seguintes aspectos:
✓ Características geomecânicas do subsolo; ✓ Profundidade da fundação;
✓ Influência do lençol freático;
✓ Eventual alteração das características do solo (expansivos, colapsíveis, etc.);
✓ Sobrecargas e características da obra; ✓ Inclinações das cargas e do terreno; ✓ Estratigrafia do terreno.
Há vários métodos para se determinar a tensão admissível, sendo o mais comum o método semi-empírico que relaciona os resultados dos ensaios das sondagens de percussão (Nspt) com tensões resistentes de projeto.
No que lhe concerne, o dimensionamento geométrico consiste na área da fundação solicitada por uma carga excêntrica, de tal maneira que a tensão transmitida ao terreno, admitida uniformemente distribuída, seja menor ou igual à tensão admissível ou tensão resistente de projeto do solo de apoio. Uma fundação é solicitada por carga excêntrica quando esta estiver submetida a qualquer composição de forças que incluam ou gerem momentos nas fundações, porém é importante salientar que o dimensionamento geotécnico de uma fundação superficial solicitada por carregamento excêntrico deve ser feito considerando-se que o solo não admite esforços de tração.
5.7. Interações Solo-Estrutura (ISE)
Ao longo da evolução tecnológica e computacional, a análise estrutural pode-se desenvolver em diferentes aspectos com a aplicação de processos mais modernos que as técnicas rudimentares de cálculo e metodologias utilizadas anteriormente a esta evolução, porém ainda não é usual e comum a utilização dessas novas metodologias. Exemplificando esta constatação, é possível observar que, ainda hoje, são utilizadas simplificações para o dimensionamento de estruturas pelo fato de inexistir uma metodologia concisa e programas computacionais capaz de aliar tecnologia e praticidade na modelagem de estruturas condizentes com a realidade construída. Atualmente, existe uma grande quantidade de ferramentas e recursos computacionais bem maiores do que se dispunha no passado, mas ainda é pratica rotineira se calcular estruturas, tanto reticulares como pontuais, ignorando a presença de uma superfície deformável sob a base da mesma.
O processo de interação solo-estrutura nada mais é do que a influência recíproca gerada entre a superestrutura e o sistema de fundação (fundação e solo), iniciando-se ainda na
fase de construção e estendendo-se até que seja obtido um estado de equilíbrio: com tensões e deformações estabilizadas, tanto na estrutura como no maciço de solos (COLARES, 2006).
No passado, é correto afirmar que a consideração da interação solo-estrutura no processo de dimensionamento, devido à complexidade dos cálculos, era considerada totalmente inviável. Através do desenvolvimento de novos softwares e avanços tecnológicos, já seria possível a adoção de critérios que considerassem a interação solo-estrutura, embora a grande maioria dos engenheiros ainda opte por hipóteses que consideram o solo rígido (SOUZA; REIS, 2008).
Para a elaboração de um projeto de fundações, um Engenheiro Geotécnico geralmente não considera mudanças de configuração que possam ocorrer na superestrutura devido à integração da subestrutura com o maciço de solos. Essas mudanças podem resultar em um estado de tensões não previsto no sistema formado pela subestrutura (fundações e maciço). O mesmo acontece com o Engenheiro Estrutural, que por ter como principal foco a superestrutura, dificilmente leva em conta os efeitos que ocorrem no solo devido à absorção de ações e possíveis modificações na superestrutura, classificadas como não desprezíveis. Porém, dependendo do nível de deformação do solo e rigidez da estrutura, a interação solo-estrutura por sua vez, pode modificar de forma acentuada o desempenho da edificação (GUSMÃO, 1990).
O mecanismo de interação solo-estrutura está também associado a uma série de fatores e/ou variáveis como tipos de carregamentos atuantes, processo construtivo, forma em planta da edificação, rigidez relativa estrutura-solo, entre outros.
Há vários modelos para considerar a ISE nos projetos estruturais, porém em virtude da simplicidade, o mais utilizado atualmente nos escritórios de projeto são os que separam o sistema estrutural do maciço de solo, podendo haver a discretização ou não da estrutura de fundação.
Há várias décadas, profissionais das áreas de engenharia e geotecnia vêm estudando formas de aplicação e efeitos devido à consideração do solo como uma estrutura deformável.
De uma forma geral, verifica-se que a interação solo-estrutura é atualmente estudada segundo metodologias que abordam:
✓ Estudos de redistribuição dos esforços na superestrutura, devido à deformada de recalques;
✓ Estudos de transferência de carga e tensões de contato entre fundações e o solo circunvizinho;
✓ Estudos de recalques medidos e calculados no solo devido aos carregamentos impostos;
✓ Estudo de todo o sistema solo-estrutura através de análises numéricas com o objetivo de realizar estudos paramétricos e previsão de desempenho.
5.7.1. Trabalhos desenvolvidos sobre a ISE
I.
Âmbito Internacional
As idéias apresentadas a seguir se concentram em análises de rigidez relativa, fazendo o uso de processos interativos de cálculo, análises matriciais, verificações de recalques absolutos e diferenciais ao longo do processo executivo, incluindo a verificação em vários tipos de fundações com vista a avaliar o comportamento e o desempenho conjunto da edificação e do solo.
Em 1867, Winkler propôs um modelo admitindo que as cargas aplicadas na superfície do solo geram deslocamentos somente no ponto de aplicação da mesma, não sendo considerada a continuidade do meio. Assim, foi sugerido que o maciço de solo fosse substituído por um sistema de molas com rigidez equivalente e que atuassem de forma independente. Este é um método simples de se considerar a interação solo-estrutura, denominado como modelo de Winkler.
Muitos trabalhos utilizam a técnica de Winkler para representação da flexibilidade do solo por se tratar de uma análise fácil de ser implantada. Geralmente são utilizadas correlações empíricas e/ou tabeladas na determinação dos coeficientes de mola, conforme apresentado na figura 11. Porém o modelo não contempla a continuidade do solo, restringindo a análise a certos tipos de solo (solos não resistentes) e não permitindo o estudo de grupo de estacas ou interação entre prédios vizinhos.
Fonte: Autoria Própria
Meyerhof (1953) apresentou um dos primeiros trabalhos onde é levado em consideração o efeito da interação solo-estrutura, no qual o autor engloba as características do solo, da infra-estrutura e da rigidez da superestrutura para a estimativa de recalques totais e diferenciais do elemento isolado de fundação. O estudo evidencia que os recalques diferenciais estão diretamente relacionados a rigidez da estrutura e a compressibilidade do solo. Ainda neste estudo, o autor relata que, na prática, a rigidez da infraestrutura é em geral bem menor que a rigidez da superestrutura, principalmente por se tratar de estruturas rígidas. Em razão disso, foram desenvolvidas expressões para a estimativa da rigidez de estruturas rígidas abertas ou fechadas (considerando alvenarias) ou até mesmo a substituição de uma edificação real por outra com rigidez equivalente, a fim de simplificar a interação solo-estrutura.
Segundo Chamecki (1955), o procedimento convencional de cálculo de estruturas utilizado na época era alvo de críticas, embora apresentasse um desempenho considerável em função da hipótese de que os apoios das estruturas hiperestáticas se adaptam a deformação do solo. Através destes estudos, o autor propôs um sistema de cálculo para análise de interação solo-estrutura, em que a partir das reações de apoio da estrutura calculadas como um pórtico indeslocável e dos coeficientes de transferência de carga de reações verticais dos apoios causados pelos recalques unitários de cada apoio separadamente, calcula-se os recalques da fundação por métodos convencionais. Iniciado um processo interativo, que considera a rigidez da estrutura e fornece novas reações de apoio, são obtidos novos valores de recalques. Tal processo interativo é repetido até que os valores das reações de apoio e novos recalques sejam convergentes entre si. Com a utilização desta metodologia, pode-se concluir que os recalques diferenciais apresentavam menor magnitude quando se levava em conta a rigidez da estrutura nos cálculos dos recalques e que estes aproximavam-se dos resultados medidos em campo durante o período de pós-obra.
Outrossim, Chameki (1956) apresentou um estudo relacionado ao tipo de ligação entre os elementos estruturais que compõem a superestrutura e como estes influenciam na rigidez global da estrutura, sendo possível aplicar o efeito da rigidez dos elementos estruturais em projetos calculados de forma convencional.
Cheung e Nag (1968) aplicaram o Método dos Elementos Finitos em problemas com placas e vigas em um meio contínuo e elástico, levando em consideração a tensão horizontal no contato entre fundação e solo, observando os efeitos nas curvas “carga x recalque”. Para estruturas submetidas a esforços horizontais de grande magnitude, esta consideração pode ser muito importante, pois os autores afirmam que desta forma a tensão
resulta em deslocamentos horizontais resistidos pelas vigas e até mesmo pelas fundações superficiais.
Lee & Harrison (1970) trabalharam com soluções baseadas na hipótese de Winkler e técnicas analíticas. Foram estudadas estruturas assentes em fundações superficiais (radier e vigas).
Lee & Brown (1972) apresentaram um método para análise de estruturas apoiadas sob fundações do tipo radier. Neste método foi considerado os efeitos da superestrutura, infra-estrutura e solo na determinação das cargas e recalques dos apoios. Foram comparados os resultados de dois modelos, o de Winkler e elástico-linear, no qual considera-se a rigidez entre solo e fundação. Através da análise bidimensional da estrutura com fundação em radier, concluíram que os valores do momento fletor máximo atuantes na fundação foram muito parecidos para ambos os métodos aplicados, sendo que este valor se distancia quando se aumenta o número de vãos da estrutura em análise.
Poulos (1975a e 1975b) propôs uma metodologia de análise matricial de estruturas para estimativas de recalques de fundação, considerando a interação solo-estrutura. O estudo de caso apresentado para um pórtico plano descreve os efeitos da rigidez relativa. Através dos valores obtidos, foi concluído que em geral quanto maior a rigidez da estrutura os recalques diferenciais tendem a reduzir, resultando em projetos mais econômicos.
Wood & Larnach (1975) desenvolveram um método de acesso ao comportamento estrutura e solo, partindo do principio que o solo oferece restrição somente ao deslocamento vertical. Os autores validaram seu método com exemplos de um pórtico com fundações tipo sapatas isoladas e radier, modeladas com a utilização do Método dos Elementos Finitos. O solo é tratado como um meio contínuo elástico e modelado através das formulações de Boussinesq. Fraser e Wardle (1976) utilizaram o MEF para estudo de fundações diretas do tipo radiers retangulares com rigidez qualquer e uniformemente carregado. Foram verificados os esforços nos radiers em vários pontos pertinentes: vértices, centro e pontos médios entre os vértices, procurando analisar a distribuição dos esforços.
Brown (1977) utiliza um modelo visco-elástico linear para o solo e para a superestrutura um modelo elástico linear e concluiu que quanto mais rígida for à superestrutura em relação ao solo, os recalques diferenciais originados são menores e a influência do tempo diminui à medida que a relação entre a rigidez da superestrutura e do solo aumenta.
Goshy (1978) analisa que a rigidez da estrutura aumenta gradualmente com o processo de construção e carregamento. Desta forma, para os primeiros incrementos de carga, a estrutura se comporta como uma viga flexível em um meio elástico e sua rigidez é crescente
de acordo com o processo construtivo. A sequência construtiva tem influência nos pavimentos inferiores e as distorções angulares tendem ao decréscimo à medida que há um aumento gradual da superestrutura.
Hain e Lee (1978) estudaram dois pórticos espaciais com 3 e 5 vãos assentes em um radier para verificar os efeitos da ISE. As análises apresentadas foram realizadas em termos de rigidez relativa superestrutura-solo e de rigidez relativa radier-solo. Observa-se no artigo que os recalques diferenciais e os momentos fletores nas fundações diminuem gradativamente com o aumento das rigidezes relativas.
Kobayashi (1983) aborda um estudo híbrido (numérico-experimental) de técnica de análise de tensões tendo como condições de contorno resultados experimentais em modelagens numéricas de problemas de engenharia.
Eisenberger e Yankelevsky (1985) apresentaram uma formulação para montar a matriz de rigidez exata de uma viga sobre base elástica (Winkler) com base na equação diferencial da linha elástica que representa a deformada da viga.
Yankelevsky e Eisenberger (1986) aplicaram carregamentos axiais e verticais em um elemento estrutural de viga-coluna apoiada sobre base elástica sendo a matriz de rigidez exata obtida a partir da solução analítica deste elemento.
Brown e Yu (1986) pesquisaram os efeitos da aplicação progressiva do carregamento em estruturas planas e tridimensionais submetidas à ISE. A conclusão final relacionada aos efeitos da interação tais como a redistribuição das cargas nos pilares e dos recalques, é que a rigidez de um edifício carregado progressivamente pode ser estimada como sendo a metade da rigidez da edificação completa.
Allan, Rao e Subramanya (1987) verificaram o efeito da perda de capacidade suporte, devido ao carregamento do solo, considerando uma viga de fundação. Observou-se que aumento do momento fletor e da força axial na superestrutura depende não só da perda de suporte, mas também das rigidezes relativas entre superestrutura e estrutura.
Sayegh & Tso (1988) abordaram a análise de superestruturas, com comportamento linear, apoiadas em sistemas estaca-solo.
Pandey, Kumar & Sharma (1994) apresentaram uma metodologia iterativa para análise de edifícios altos com fundações em sapatas submetidos à interação solo-estrutura.
Aydogan (1995) desenvolveu uma matriz de rigidez para um elemento de viga sobre base elástica, considerando a teoria dos pequenos deslocamentos e o modelo elástico-linear para o comportamento do material.
Dalguer (1995) estudou dois modelos de análise dinâmica de estruturas reticuladas sobre base elástica. O primeiro modelo consiste em estruturas reticuladas sobre base elástica, sendo os elementos de fundação modelados através da hipótese de Winkler. O segundo modelo consiste em uma combinação entre o MEF para a estrutura e o MEC para o solo.
Nasri e Magnan (1997) empregaram MEF na teoria de adensamento de Biot para estudar a ISE no domínio do tempo. Foi considerado um pórtico de 4 pavimentos assentes sobre fundações superficiais (radier ou sapatas). São feitas duas análises, uma independente do tempo e outra em função do processo de adensamento do solo, a fim de verificar a distribuição dos esforços na superestrutura. Desta forma pode verificar que as análises independentes do tempo fornecem resultados subestimados.
Katzenbach et al. (1997) estudaram um edifício em forma de triângulo equilátero (60 m de lado) em estrutura de aço localizada em Frankfurt-Alemanha, considerado um dos maiores da Europa (300 m de altura) sendo assente sobre fundações profundas (111 estacas escavadas) em argila mole. Foram desenvolvidos estudos numéricos tridimensionais (elementos isoparamétricos finitos e infinitos) do edifício e do solo (com modelos constitutivos elasto-plásticos – Ducker-Prager), e foram verificadas as curvas de transferência de carga entre o radier e as estacas, bem como a interação entre elas. Estudos experimentais (instrumentação com extensômetros elétricos – total de 300 em 5 níveis) foram realizados em 30 estacas da edificação para monitorar a transferência de cargas. Verificou-se que 95% da carga do edifício foi absorvida pelas estacas e apenas 5% foi transferida para o radier.
Dutta e Roy (2002) discutiram em seu trabalho diferentes métodos para a modelagem da interação entre, solo fundação e estrutura, apontando as vantagens e desvantagens para cada modelo apresentado na literatura.
Com base na teoria de Mindlin (1936), diversos estudos analisaram a interação solo-estrutura considerando o solo como um maciço semi-infinito, onde, a partir de certa distância dos pontos de aplicação da carga, os efeitos não serão mais significativos para o maciço e assim não ocorrerão mais deslocamentos, podendo-se considerar, neste ponto, uma superfície indeslocável. Esta teoria apresenta equações relativas a deslocamentos e forças para a aplicação de uma carga unitária no interior de um meio semi-infinito homogêneo, elástico, linear e isotrópico.
II.
Âmbito Nacional
No Brasil o desenvolvimento de pesquisas ligadas a interação solo-estrutura vem sendo crescente ao longo dos últimos anos. Dentre os principais autores pode-se destacar os citados a seguir.
Gusmão e Lopes (1990) abordaram um modelo estrutural considerando a rigidez da superestrutura no cálculo de recalques baseado no modelo apresentado por Poulos (1975), e um método baseado no modelo proposto por Meyerhof (1953) que substitui uma edificação qualquer por uma rigidez equivalente (através dos fatores de rigidez equivalente) para o cálculo considerando a ISE. São comparados os recalques diferenciais máximos para ambos os métodos aplicados.
Fonte e Soriano (1990) utilizaram dois processos de cálculo que fornecem os esforços e deslocamentos de elementos estruturais de edifícios altos (estruturas reticulares) sendo levado em consideração a sequencia construtiva. São comparados exemplos utilizando o modelo clássico, o modelo incremental e o modelo clássico modificado considerando a sequencia construtiva.
Lopes & Gusmão (1991) abordaram os fatores que influenciam o mecanismo de interação solo-estrutura. Modelaram uma estrutura aporticada representando de maneira simplificada uma edificação fictícia. Realizaram diversas análises variando a rigidez relativa solo-estrutura, onde foi observado que quanto maior o valor desta, menores são os valores de recalques diferenciais obtidos.
Gusmão Filho e Gusmão (1994) realizaram estudos de casos de fundações em terrenos que foram melhorados com a introdução no terreno de estacas de compactação de areia e brita na superfície e em profundidade, quantificando os recalques para estas duas situações de melhoramento. Com o aumento da rigidez vertical do solo os recalques diminuem, e isto pode ser comprovado através dos recalques medidos a partir de prova de carga sobre placas executadas em campo. Com relação aos recalques calculados foram utilizadas as metodologias de Parry (1978) e Burland e Burbidge (1985) e verificou-se que a primeira conduz a resultados satisfatórios. No caso de melhoramento em profundidade é utilizada para o cálculo de recalques a teoria de Boussinesq, sendo observado que com a diminuição das tensões verticais em profundidade os recalques também diminuem.
Jucá et al. (1994) apresentou o estudo de caso para avaliação dos esforços aplicados em um edifício de 14 andares sobre um terreno arenoso melhorado, considerando a influência do efeito construtivo incremental na interação solo-estrutura. Os resultados foram comparados
com as medições de recalques em campo durante o período de construção. A conclusão principal foi que o modelo que considera a edificação totalmente construída não leva em conta os recalques diferenciais devido à consideração implícita de uma rigidez maior que o real para a estrutura, entretanto alguns autores já apresentaram que no período de construção, para os pavimentos inferiores, a estrutura possui metade da rigidez total considerada.
Gusmão & Gusmão Filho (1994a) avaliaram os efeitos da sequência construtiva nos recalques de sete edifícios levando em consideração a interação solo/estrutura. A partir do processo executivo, onde se aumenta o número de pavimentos da construção, a rigidez da superestrutura aumenta evidenciando a uniformização dos recalques e a redistribuição de cargas entre os pilares, porém, segundo os autores, até o limite de 6 pavimentos.
Gusmão (1994) apresenta alguns aspectos relevantes, como a redistribuição de cargas entre pilares e suavização da deformada de recalques da ISE em edifícios, via metodologia proposta por Gusmão (1990).
Velloso e Lopes (1996) apresentaram alguns métodos de solução de vigas de fundação. Os autores afirmam que dependendo do carregamento aplicado e levando em conta uma viga de fundação com elevada rigidez comparada à rigidez do solo, o valor do recalque será igual nos dois casos analisados, admitindo que a distribuição de tensões de contato é uniforme. Caso se flexibilize a viga de fundação (deformações e grau de rigidez estrutural – interação solo/estrutura), os valores dos esforços e os recalques resultantes são totalmente diferentes.
Gusmão Filho et. al. (1999) publicaram um trabalho que mostra a prática de projetos de fundação (superficial e profunda). São apresentadas as soluções empregadas e o desempenho observado em 4 estudos de caso, com controle de recalque sendo feitos com objetivo de avaliar os efeitos da ISE. Os resultados são apresentados em termos de curvas de iso-recalques onde se verifica a tendência à uniformização dos recalques e à redistribuição de carga, sendo empregada a metodologia adotada por Gusmão (1990), com o aumento da rigidez progressiva da estrutura com a evolução do processo construtivo.
Mendonça et al. (1998) fizeram considerações sobre a influência recíproca de fundações (superficiais) de 4 prédios vizinhos (até 18 pavimentos) assentes em solos moles da orla marinha de Santos-SP. Os autores afirmam que análises de ISE com a influência de edificações vizinhas é fundamental, já que a interação entre edificações é o motivo da inclinação de prédios e de distorções excessivas em apoios de edifícios. Nas análises é levada em consideração a parcela de recalque devido ao adensamento primário (módulo de elasticidade com comportamento drenado das camadas de argila mole), influência da rigidez da
superestrutura (edifício isolado) e alterações ambientais devido a um eventual reforço de fundação em um dos edifícios do grupo. Foram apresentadas três situações considerando a ISE: construção isolada do edifício em estudo, construção simultânea com um edifício vizinho e construção simultânea do edifício e dos demais (3) prédios vizinhos. Os resultados são apresentados em termos de curvas de iso-recalques.
Moura (1999) trata de análises tridimensionais de interação solo-estrutura em edifícios (MEF – campo de deslocamentos) através da implementação de programas computacionais. O Módulo Interação e Módulo Recalque foram desenvolvidos para incorporação no programa computacional Sistema Edifício da UFPE (Fonte, 1990). Foram consideradas duas situações, com a aplicação instantânea de carregamento e considerando o efeito construtivo incremental inicialmente desprezado por autores pioneiros dos estudos de ISE. Foram desenvolvidos neste trabalho os elementos de interação com fundações superficiais apenas com deslocamento vertical, onde se consideram a influência dos elementos de fundação entre si e misto, considerando o deslocamento vertical e a interação dos elementos discretizados entre si. Os recalques são calculados pelos métodos propostos por Schultze e Sherif (1973), Aoki e Lopes (1975) e Bowles (1988), de onde se obtêm as matrizes de flexibilidade e rigidez dos elementos de fundação/solo. Para validar as implementações feitas, foi realizado um estudo de caso de um edifício de 19 andares em Boa Viagem – Recife – PE sendo avaliados três modelos: sem ISE e construção incremental, com ISE e construção incremental, e com ISE com carga instantânea. Foram apresentados os resultados em termos de recalques absolutos, diferenciais, distorcional e esforços em pilares e vigas.
Santa Maria et al. (1999) apresentaram uma metodologia para análise de vigas contínuas sobre apoios viscoelásticos e preconizaram a aplicação em problemas de ISE. Os fundamentos da viscoelasticidade linear são abordados e aplicados em dois exemplos: análise de ISE considerando o material da viga e dos apoios, ora com comportamento elástico ora com comportamento viscoelástico. Os autores chamam a atenção para estudos de ISE considerando fluência no material da superestrutura que, em sua maioria, levam em consideração ou a parcela imediata de deformações e deslocamento ou recalques de fundação por adensamento.
Holanda Junior (2000) analisou os efeitos da ISE em edifícios sobre fundações diretas considerando o efeito de vento (carregamentos horizontais), levando em consideração o processo construtivo e a presença de uma camada indeslocável no perfil do solo, tornando o perfil do solo mais próximo da realidade. O autor nos demonstra que as modificações nos esforços entre as peças estruturais são significativas. Os pavimentos inferiores do edifício sofreram grande influência da ISE, evidenciada pela influencia nos valores dos deslocamentos
