UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
DÁLETE AINE NOVAES SANTOS
ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO ESTRUTURAL DE UMA TORRE
AUTOPORTANTE DE SUSPENSÃO DE LINHA DE TRANSMISSÃO
DE ENERGIA ELÉTRICA
Sinop
2018/2
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
DÁLETE AINE NOVAES SANTOS
ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO ESTRUTURAL DE UMA TORRE
AUTOPORTANTE DE SUSPENSÃO DE LINHA DE TRANSMISSÃO
DE ENERGIA ELÉTRICA
Projeto de Pesquisa apresentado à Banca Examinadora do Curso de Engenharia Civil – UNEMAT, Campus Universitário de Sinop-MT, como pré-requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Prof.ª Orientadora: Msc. Letícia Reis Batista Rosas.
Sinop
2018/2
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Classe de tensões confrome norma brasileira ... 18
Tabela 2: Índice de esbeltez... 39
Tabela 3: Espessura dos Elementos ... 39
Tabela 4: Recomendação dos parafusos em função da largura das abas ... 41
Tabela 5: Massa da camada de zinco (g/cm³)... 41
Tabela 6: Compacidade ... 42
Tabela 7: Índice de esbeltez efetiva ... 43
LISTA DE EQUAÇÕES
(1) ... 21 (2) ... 22 (3) ... 38 (4) ... 41 (5) ... 42 (6) ... 43 (7) ... 44 (8) ... 44LISTA DE FIGURAS
Figura 1:Torre de transmissão de energia elétrica que caiu em Sumaré. ... 12
Figura 2: Dois tipos comuns de corrente: (a) corrente contínua(CC); (b) corrente alternada (CA). ... 17
Figura 3: Interligação geoelétrica Brasileira ... 19
Figura 4: Principais elementos da estrutura de LTE ... 20
Figura 5: Vão de uma LTEE ... 21
Figura 6: Torre treliçada em aço Autoportante ... 29
Figura 7: Estrutura treliçada em aço Estaiada... 30
Figura 8: Poste de linha de transmissão ... 31
Figura 9: Detalhe de fixação de cadeias ... 35
Figura 10: Conexão de montantes ... 35
Figura 11: Conexão entre montante e outros membros ... 36
Figura 12: Mapa de isopletas do vento no Brasil ... 38
Figura 13: Cantoneira de abas iguais ... 42
LISTA DE ABREVIATURAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica AT – Alta tensão
CA – Corrente Alternada CC – Corrente Contínua
EAT – Tensões Extra Elevadas ELS – Estado Limite de Serviço ELU - Estado Limite Último
EPE – Empresa de Pesquisa Energética IEC – International Eletrotechinal Comission LT – Linha de Transmissão
LTEE – Linha de Transmissão de Energia Elétrica NB – Norma Brasileira
NBR – Norma Brasileira Regulamentadora ONS – Operador Nacional de Sistema Elétrico SIN – Sistema Interligado Nacional
DADOS DE IDENTIFICAÇÃO
1. Título: Análise e dimensionamento estrutural de uma torre autoportante de suspensão de linha de transmissão de energia elétrica
2. Tema: 30102030 Estruturas Metálicas
3. Delimitação do Tema: Torres metálica de Linha de Transmissão 4. Proponente(s): Dálete Aine Novaes Santos
5. Orientador(a): Letícia Reis Batista Rosas
7. Estabelecimento de Ensino: Universidade Estadual do Mato Grosso 8. Público Alvo: Acadêmicos da área de Engenharia Civil e Engenharia Elétrica
9. Localização: Avenida Francisco de Aquino Corrêa, S/n, Bairro Aquarela das Artes, CEP 78550-000.
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS ... I LISTA DE EQUAÇÕES ... II LISTA DE FIGURAS ... III LISTA DE ABREVIATURAS ... IV DADOS DE IDENTIFICAÇÃO ... V 1 INTRODUÇÃO ... 9 2 PROBLEMATIZAÇÃO ... 11 3 JUSTIFICATIVA... 12 4 OBJETIVOS ... 14 4.1 OBJETIVO GERAL ... 14 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 14 5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 15
5.1 LINHA DE TRANSMISSÃO ELÉTRICA ... 15
5.1.1 Conceito histórico ... 15
5.1.2 Estrutura do Sistema de Energia Elétrica ... 15
5.1.3 Corrente Contínua x Corrente Alternada ... 16
5.1.4 Classe de Tensão ... 17
5.1.5 Sistema Interligado Nacional ... 18
5.2 COMPONENTES DAS LT ... 19
5.2.1 Condutores ... 20
5.2.1.1 Padrão Brasileiro ... 22
5.2.2 Cabos pára-raios ... 22
5.2.3 Isoladores e Ferragens ... 22
5.2.3.1 Características e números dos isoladores de suspensão ... 22
5.2.3.2 Ferragens e acessórios ... 23
5.2.3.3 Cadeias de Suspensão ... 23
5.2.3.4 Dispositivos Antivibrantes ... 24
5.3 ESTRUTURA DAS LINHAS DE TRANSMISSÃO ... 24
5.3.1 Dimensão das estruturas ... 25
5.3.2 Classificação das Estruturas das Linhas de Transmissão ... 25
5.3.3 Funções das estruturas nas linhas de transmissão ... 25
5.3.3.1 Estruturas de Suspensão ... 26
5.3.3.2 Estruturas de Ancoragem ... 26
5.3.3.3 Estruturas para ângulos ... 27
5.3.3.4 Estruturas de derivação ... 27
5.3.3.6 Formas de Resistir das Estruturas ... 27
5.4 MODELOS DE ESTRUTURAS UTILIZADAS NAS LTEE ... 27
5.4.1 Modelos de estruturas verticais ... 27
5.4.1.1 Torres Autoportantes ... 28
5.4.1.2 Torres Estaiadas ... 29
5.4.1.3 Postes ... 30
5.5 MATERIAIS DAS ESTRUTURAS ... 31
5.5.1 Aço ... 32
5.5.1.1 Vantagens do uso de aço ... 32
5.5.1.2 Durabilidade do aço ... 32
5.5.2 Concreto Armado ... 32
5.6 ESTRUTURA TRELIÇADA EM AÇO ... 33
5.6.1 Perfis estruturais de aço ... 33
5.6.1.1 Perfil laminado ... 33 5.6.2 Elementos ... 34 5.6.2.1 Membros ... 34 5.6.2.2 Conectores ou junções ... 34 5.6.3 Carregamentos ... 36 5.6.3.1 Ações Permanentes ... 36 5.6.3.2 Ações de Sobrecarga... 37
5.6.3.3 Ações de Vento na Estrutura ... 37
5.7 RECOMENDAÇÕES ... 39 5.7.1 Índice de esbeltez ... 39 5.7.2 Perfilados mínimos... 39 5.7.3 Conectores ... 40 5.7.4 Marcação ... 40 5.7.5 Parafusos ... 40 5.7.6 Proteção à corrosão ... 41 5.7.7 Compacidade ... 41 5.7.8 Esbeltez efetiva ... 42
5.7.9 Formulário para compressão ... 43
5.7.10 Ação do Vento ... 44
5.7.11 Análise dos esforços ... 45
5.7.11.1 Análise Linear ... 45
5.7.12 Resolução das treliças ... 45
5.8 NORMAS ... 46
5.8.2 ABNT NBR 6123/2013 ... 46
5.8.3 ABNT NBR 8842/2010 ... 46
5.8.4 ABNT NBR 8800/2008 ... 47
5.9 CONSIDERAÇÕES SOBRE SEGURANÇA DA LT ... 47
5.9.1 Estados Limites ... 49
5.9.1.1 Estado Limite Último (ELU) ... 49
5.9.1.2 Estado limite de serviço (ELS) ... 49
5.10MÉTODOS COMPUTACIONAIS ... 49
5.10.1 Software Metálicas 3D ... 49
5.10.2 Software SAP 2000 ... 50
6 METODOLOGIA ... 51
6.1 MODELO ESTRUTURAL ... 52
6.2 AÇÕES CONSIDERADAS NA ESTRUTURA ... 53
6.3 FUNDAÇÕES ... 53
6.4 HIPÓTESE DE CÁLCULO ... 53
6.5 ESFORÇOS ATUANTES NA ESTRUTURA ... 54
6.6 CÁLCULO DOS ESFORÇOS ... 54
6.7 DIAGRAMA DE CARREGAMENTO ... 54
6.8 DIMENSIONAMENTO ... 54
6.9 ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 54
7 CRONOGRAMA ... 56
8 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO ... 57
9 ANEXOS ... 59
1 INTRODUÇÃO
A energia elétrica tornou-se a principal fonte de luz, calor e força utilizada atualmente. Basicamente, todo tipo de atividade que se realiza hoje é possível por causa da facilidade que a energia elétrica tem para alimentar uma infinidade de lugares que precisam dela para funcionar.
A energia elétrica é transportada e chega aos consumidores por meio de sistemas elétricos composto por três etapas: Geração, Transmissão e Distribuição, até chegar ao consumidor.
No Brasil, a geração de energia elétrica é obtida por vários métodos, sendo o mais usual por meio das usinas hidrelétricas. Essas usinas hidrelétricas são, geralmente, construídas muito longe dos centros consumidores e com isso é preciso que a eletricidade tenha que fazer um longo percurso através de uma rede de transmissão. Esta que é um conjunto de cabos aéreos, fixados em grandes torres de metal.
Uma Linha de Transmissão (LT) necessita de torres que possam resistir a variáveis como, ação de ventos e chuvas, temperaturas elevadas e ações permanentes como o peso próprio e o peso dos cabos aéreos.
Se uma torre de LT não for bem dimensionada, ela pode causar prejuízos financeiros tanto para a empresa do setor quanto para os consumidores finais.
O desastre de uma queda de uma torre de transmissão pode não só causar danos financeiros ao setor elétrico, mas principalmente risco à vida de transeuntes e animais, visto que existem linhas de transmissão com valores muito elevados de tensão.
As torres de LT tem aumentado os estudos de tecnologias sobre os materiais, principalmente o aço, com o intuito de diminuir o peso da estrutura os perfis metálicos estão cada vez mais cortejados. Como essas estruturas tem se tornado muito leves e esbelta acabam sendo mais suscetíveis a esforços e fenômenos dinâmicos e de instabilidade que vem da esbeltez.
Com isso, é necessário que haja uma solução estrutural para as torres de LT através de técnicas de análises estruturais que possa permitir uma correta identificação dos fenômenos e um dimensionamento seguro.
O presente trabalho está embasado nos estudos de dois autores, Labegalini et. al (1992) e Fuchs (1977), estes que estruturaram um dimensionamento de acordo com a ABNT NBR 5422/1995.
2 PROBLEMATIZAÇÃO
A importância da energia elétrica tornou-se imensurável, as pessoas se tornaram tão dependentes que o único modo de se depararem com a importância dela é quando há uma interrupção no fornecimento por parte da concessionária de energia. Isso se deve ao fato que a maioria dos consumidores não reconhecem o quão extenso e detalhado é o sistema elétrico (ALVES, 2017).
Para Elias (2015),
A linha de transmissão (LT) de energia elétrica é um componente fundamental da infraestrutura e um elemento de vital importância para o cenário energético de um país, pois possibilita o transporte de energia das fontes geradoras até os centros de consumo. Tal característica é importante em um país como o Brasil, onde a matriz energética é dominada pela energia hidrelétrica.
A existência das LT’s é claramente fundamental para o consumo de eletricidade, e necessita de vários componentes para que tudo saia conforme o exigido.
A energia elétrica trouxe consigo a necessidade de estruturas de grande porte para as LT’s de modo a atender o máximo de consumidores possível. No Brasil, essa necessidade é a razão principal para uso de estruturas de aço, já que outros materiais são economicamente inviáveis.
A ampla utilização de estruturas de aço tem proporcionado estudos de vários casos e suas análises. Sabe- se que o material utilizado nessa estrutura podem ser mais leve e mais esbelto sendo assim mais suscetível à esforços e fenômenos dinâmicos.
Alguns problemas associados a esses fenômenos, principalmente, ações de ventos e chuvas são muito comuns já que essas estruturas ficam expostas o que leva a uma instabilidade do material.
Portanto, técnicas de análise estrutural que permitam a correta identificação destes fenômenos se fazem necessárias?
3 JUSTIFICATIVA
A utilização das Linhas de Transmissão de Energia Elétrica (LTEE) aéreo não foi só um marco para eletricidade, como para o estudo de estruturas. Essa transmissão não seria possível se não houvesse uma estrutura que suportasse, com segurança, condutores por longas dimensões.
O dimensionamento das estruturas de torres de LTEE se baseia praticamente em normas estruturais de aço. Existem procedimentos bem definidos para este tipo de dimensionamento. Porém, no Brasil, não existem documentos detalhados e aprofundados sobre tal, usa-se ainda normas internacionais que são válidas no âmbito nacional (ROTHIER, 2017).
Por mais que as normas internacionais vêm ganhando espaço no Brasil, a segurança delas não é totalmente garantida, ainda existem falhas estruturais que em certas regiões brasileiras necessitam de estudos mais detalhados, como temperatura, velocidade dos ventos e a mecânica dos solos.
Um exemplo de uma falha estrutural ocorreu em Sumaré-SP onde um vento de 83km/h derrubou torres de transmissão e deixou 78 mil consumidores da região sem energia elétrica (G1, 2012). A Figura 2 demonstra o estado em que a torre ficou depois de ser atingida pela ventania.
Figura 1:Torre de transmissão de energia elétrica que caiu em Sumaré.
O fato relatado acima teve como principal protagonista um vento mais forte do que a estrutura suportou. Sabe-se que no Brasil existem cinco biomas, estes que contêm todas as informações sobre solo e temperatura, e que a velocidade de um vento muda conforme sua região. Considera-se então a necessidade de haver fiscalização das construções de LT de acordo com seu local.
Segundo Alves (2017),
No Brasil, existe uma agência responsável por regulamentar e fiscalizar todo o sistema de geração, transmissão, distribuição e comercialização de energia elétrica, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Além disso, há uma empresa responsável pelas pesquisas e pelo planejamento da expansão do sistema elétrico brasileiro em um horizonte de 25 a 30 anos, a Empresa de Pesquisa Energética (EPE). E, por fim, há uma empresa que controla e supervisiona todo o Sistema Interligado Nacional (SIN) de modo a monitorar e coordenar permanentemente as condições de segurança e suprimento de carga do Brasil, o Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS).
O setor de transmissão é trabalhoso, pois existem diversas soluções para transmissão de energia. No entanto, a principal importância, na engenharia, é uma maior confiabilidade no projeto e um custo menor (ALVES, 2017).
4 OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GERAL
Dimensionar uma torre autoportante de suspensão de uma LTEE de alta tensão, usando normas e procedimentos consolidados de forma garantir a segurança da estrutura e do sistema elétrico.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Analisar os modelos de torres autoportantes de LTEE;
Analisar normas e procedimentos atualmente utilizados;
Dimensionar uma estrutura treliçada de suspensão;
Realizar uma análise crítica dos resultados para avaliar quais ações provocam mais solicitações nos elementos.
5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
5.1 LINHA DE TRANSMISSÃO ELÉTRICA
5.1.1 Conceito histórico
O uso comercial de energia elétrica remonta ao início de 1870, na utilização de lâmpadas a arco na iluminação pública. O registro que se tem data de 1881 construída por dois eletricistas em Godalming na Inglaterra. A energia era gerada por duas rodas de água que gerava uma corrente alternada (CA) utilizada para abastecer 7 lâmpadas de 250 V e 34 lâmpadas de 40V. Não havia fornecimento constante (PINTO, 2014).
Apesar do avanço para a época o maior problema a ser vencido era a distância, que dificultava a transmissão da energia, já que esta era corrente contínua e não podia ser transformada nos valores de alta tensão sem grandes perdas de tensão. A energia era consumida na mesma tensão que era gerada, e a geração hidráulica utilizada ficava muito longe dos consumidores (PINTO, 2014).
No Brasil, em 1964, o país possuía 5 mil MW instalados. Hoje, o país conta com aproximadamente 110 mil MW, ou seja, nesses anos mais de 96% do sistema brasileiro foi construído. O enorme desafio de construir essa massa de geração fez com que a atenção da maioria dos engenheiros se dirigisse para geração e transmissão (FONSECA e DOS REIS, 2012)
O trabalho de estender linhas e atender ao cliente final mudou no Brasil. O acesso à energia elétrica foi um grande marco transformador da sociedade (FONSECA e DOS REIS, 2012).
5.1.2 Estrutura do Sistema de Energia Elétrica
Para conduzir a energia elétrica obtida na geração por usinas (hidráulica, eólica, térmica, entre outras) até o sistema de distribuição (unidades consumidoras) são utilizadas Linhas de Transmissão (MENEZES, 2015).
A Transmissão de energia pode ser feita por três maneiras: Linhas Aéreas, Linhas Subterrâneas ou Linhas Subaquáticas. Usualmente utiliza-se as Linhas Aéreas, caracterizadas por utilizarem cabeamentos com isoladores em sua extensão. As Linhas Subterrâneas utilizam cabos isolados dentro de dutos, melhor opção para grandes centros urbanos. E por último as Linhas Subaquáticas, pouco utilizadas devido ao seu custo limitações técnicas, mas são úteis em travessias de rio muito grande que dificulta o uso de outra alternativa (MENEZES,2015).
Para Menezes (2015),
As LTs podem transportar energia em corrente alternada ou corrente contínua. O sistema em corrente alternada (CA) utiliza redes trifásicas com um ou mais subcondutores por fase e é o mais utilizado por ser mais flexível, pois permite gerar, transmitir, distribuir e utilizar a energia elétrica na tensão mais econômica e segura. Já a transmissão em corrente contínua (CC) tem sido aproveitada ultimamente para transportar grandes blocos de potência a elevadas distâncias, através de um ou dois polos com diversos condutores por polo. Neste caso, apresenta menores custos e perdas do que a transmissão CA para uma mesma potência transmitida.
A caracterização da escolha do sistema é o custo de instalação. É mais vantajoso usar linhas CC em comprimentos acima de 600km e, caso contrário, as linhas CA são mais recomendadas (MENEZES, 2015).
5.1.3 Corrente Contínua x Corrente Alternada
A maneira pela qual define-se corrente sugere que ela não precisa ser uma função de valor constante. Podem haver diversos tipos de correntes (ALEXANDER e SADIKU, 2013).
Se a corrente não muda com o tempo, e está sempre constante (Fig. 2a), pode-se chamar de corrente continua (CC). Se a corrente varia com o tempo pode-segundo uma forma senoidal (Fig. 2b), ela é chamada de corrente alternada (CA) (ALEXANDER e SADIKU, 2013).
Figura 2: Dois tipos comuns de corrente: (a) corrente contínua(CC); (b) corrente alternada (CA). Fonte: Alexander e Sadiku (2013).
5.1.4 Classe de Tensão
O nível consumidor que hoje se conhece, 110V foi determinado por Thomas Edison (1847-1931) e padronizado, até então. Esta tensão é usada em numerosos sistemas monofásicos a dois ou três fios (LABEGALINI et. al, 1992).
Com a crescente demanda de energia elétrica foi necessário ampliar as instalações, logo a encomenda pelas concessionárias e pelos usuários de novo equipamentos mais potentes, e por razões econômicas a necessidade de operar com tensões mais altas. Consequentemente, isso fez com que se reconhecesse a necessidade de uma padronização das tensões de operações. Com isso, adotaram medidas experientes nacionais como padronização, considerados por ordem tecnológica e econômica (LABEGALINI et. al, 1992).
A IEC- International Eletrotechinal Comission, agrupou as tensões em três categorias:
Tensões Extra-Elevadas (EAT): 300kV < U < 800kV
Tensões Ultra-Elevadas(UAT): U > 800kV
Foi definida, então, em cada categoria as “classes de tensão”. Sendo esta constituída por um ou mais valores de tensão nominal, e um valor de tensão máxima de operação em regime permanente (LABEGALINI et. al, 1992).
No Brasil, a definição de altas tensões e extra tensões para sistema trifásico, são recomendadas pela ABNT de acordo com a Tabela 1.
Tabela 1: Classe de tensões confrome norma brasileira
Tensões Nominais Tensões
Máximas Categoria 33 ou 34,5kV 62 ou 69kV 132 ou 138kV 220 ou 230kV 38kV 72,5 kV 145kV 242kV altas tensões 330 ou 345kV 500kV 750kV 362kV 550kV 800kV tensões extra elevadas
Fonte: LABEGALINI et. al, 1992
5.1.5 Sistema Interligado Nacional
A Transmissão de energia no Brasil é produzida por vários sistemas, como hidráulico, térmico e eólico, sendo o mais usual o hidráulico.
Segundo a ONS:
O sistema de produção e transmissão de energia elétrica do Brasil é um sistema hidro-termo-eólico de grande porte, com predominância de usinas hidrelétricas e com múltiplos proprietários. O Sistema Interligado Nacional é constituído por quatro subsistemas: Sul, Sudeste/Centro-Oeste, Nordeste e a maior parte da região Norte.
A existência de uma malha de transmissão permite uma interconexão de sistemas elétricos, e a integração da geração e transmissão permite o atendimento ao mercado com segurança e mais economia (ONS).
O Sistema Interligado Nacional – SIN, é composto, basicamente, por usinas hidrelétricas distribuídas em dezesseis bacias hidrográficas em todas as regiões do país. Com a implantação do setor elétrico em 1998, a transmissão de eletricidade passou a ser independente da geração de energia elétrica, o detalhamento desse modelo foi um desafio, que envolveu a estrutura da expansão da rede (ONS).
A rede que compões o SIN e promove a interligação entre todas as regiões do país é demonstrado na Figura 3.
Figura 3: Interligação geoelétrica Brasileira Fonte: Menezes (2015).
A Rede de transmissão brasileira, exibida no Anexo 1, conecta eletricamente todas as regiões do país, excetos pontos isolados na Amazônia ou de natureza particular que correspondem 1,7% do total instalado (ONS).
A construção de linha de transmissão no Brasil é bem regulamentada, pois exigem-se normas em todos os procedimentos, como no processo de licenciamento ambiental, no estudo do traçado e na busca por mão-de-obra adequada. Ainda é necessário solucionar dois grandes desafios: reduzir perdas elétricas e economizar nas construções (MENEZES, 2015).
5.2 COMPONENTES DAS LT
O desempenho da parte elétrica de uma LT está relacionado com as características de seus componentes e sua configuração geométrica. De um lado temos, a suportabilidade e desempenho técnico elétrico de sua estrutura isolante, do outro a capacidade de suportar solicitações mecânicas submetidas. A Linha de transmissão elétrica tem o caráter de prestação de serviço, portanto, seu transporte deve ser eficiente, econômico e confiável (LABEGALINI et. al, 1992).
De acordo com, (Labegalini et. al, 1992, p. 18), para o transporte de energia elétrica a uma distância já estabelecida há um número muito grande de soluções possíveis, devido ao grande número de variáveis, são elas:
Valor da Tensão de Transmissão;
Número, tipo e bitolas dos cabos condutores por fase;
Número de circuitos trifásicos;
Materiais estruturais e a forma dos suportes resistirem aos esforços.
Dentre todas as soluções possíveis, poucas satisfazem os requisitos básicos dos transportes da energia. Essa solução é encontrada através de muito estudo. Para cada solução aceita é necessário a realização de um anteprojeto eletromecânico. Feito o orçamento de custos e perdas, por comparação é encontrada a solução adequada (LABEGALINI et. al, 1992).
Segundo (Labegalini et. al, 1992, p. 19), “uma linha de transmissão se compõe das seguintes partes principais”:
Cabos condutores de energia e acessórios;
Estruturas isolantes;
Estruturas de suporte;
Fundações;
Cabos de guarda ou para-raios;
Aterramentos;
Acessórios diversos.
A Figura 4, a seguir demonstra essas partes principais.
Figura 4: Principais elementos da estrutura de LTE Fonte: Labegalini et. al, (1992).
5.2.1 Condutores
Os condutores usados em LT devem possuir características especiais. Sua escolha representa um problema importante no dimensionamento das linhas, pois só não depende dela o bom desempenho da transmissão, mas tem importantes implicações de natureza econômica (FUCHS, 1977).
Segundo Fuchs, (1977, p. 15) “Condutores ideais para linhas aéreas de transmissão seriam aqueles que pudessem apresentar as seguintes características: ”
Alta condutibilidade elétrica;
Baixo custo;
Boa resistência mecânica;
Baixo peso específico;
Alta resistência à oxidação e à corrosão por agentes químicos poluentes. Quanto maior for o trabalho dos condutores por conta da tração, maiores serão os problemas por causa das vibrações. Quanto menor a tração maior será a flecha (Fig. 6), que exigem estruturas mais altas ou muitas delas (LABEGALINI et. al, 1992). A Figura 5, mostra um diagrama de forças em que as estruturas absorvem os esforços dos condutores:
Figura 5: Vão de uma LTEE Fonte: Labegalini et. al, (1992)
De acordo com (Labegalini et. al, 1992, p. 21) “T(Newton) é a força axial do condutor, ela possui duas componentes, uma força horizontal To (Newton), absorvida pela estrutura e uma força vertical
𝑃 =
𝑎.𝑝2
,
que é equilibrada pelo peso do condutorna metade do vão “a” (metros)”.
Admitindo que a curva assumida pelo cabo seja uma parábola, a flecha do condutor no vão “a”, em metros, pode ser calculada pela equação 1:
𝑓 = 𝑎2. 𝑝/8𝑇𝑜 (1)
De acordo com (Labegalini et. al, 1992, p. 22) os cabos de mesmo diâmetro são formados de seguindo a lei da equação 2:
𝑛 = 3𝑥2+ 3𝑥 + 1 (2)
Onde, n é o número total de fios e x o número de camadas.
5.2.1.1 Padrão Brasileiro
Fabricam-se cabos de cobre nas bitolas que vão desde 13,3mm² até 645,2 mm². O encordoamento é feito de acordo com as classes A e AA. Os de classe AA são empregados em condutores para linhas aéreas. Os condutores A só podem ser utilizados em linhas aéreas se estiverem com capa protetora ou na necessidade de maior flexibilidade.
5.2.2 Cabos pára-raios
Os cabos para-raios ocupam a parte superior das estruturas e se destinam a interceptar descargas de origem atmosférica e descarrega-las para o solo, evitando que causem danos e interrupções nos sistemas (FUCHS, 1977).
Sua utilização nas estruturas é fundamental no grau de proteção oferecido à linha.
5.2.3 Isoladores e Ferragens
Os cabos são suportados pela estrutura através de isoladores, este que tem como função os manterem isolados eletricamente das mesmas e, devem resistir às solicitações mecânicas e elétricas (FUCHS, 1977).
Os condutores de LT devem ser isolados eletricamente de seus suportes e do solo. Dessa estrutura isolante depende as dimensões da parte superior dos suportes. Os isoladores são dimensionados de acordo com as solicitações elétricas submetidas (LABEGALINI et. al, 1992).
Como a suportabilidade elétrica dos meios isolantes não depende só da solicitação, mas também da sua duração, a estrutura isolante pode resistir a valores muito mais altas que as de descargas atmosféricas (LABEGALINI et. al, 1992).
A Norma ABNT NBR 5422/85 limita os esforços a 40% da carga de ruptura dos isoladores e ferragens (ABNT NBR 5422/85).
Os isoladores são submetidos a esforços de mecânicos e solicitações devidas ao campo elétrico existente nas LT. Sua capacidade de resistir aos esforços mecânicos deve ser especificada por quem compra, garantida pelo fabricante e verificada por ensaios de norma (LABEGALINI et. al, 1992).
Segundo (LABEGALINI et. al, 1992), os ensaios normalizados são:
Cargas de ruptura;
Resistência ao impacto;
Resistência aos choques térmicos.
Faz-se a determinação do número de isoladores de acordo com uma determinada classe de tensão de linha e das sobre tensões previstas de origem interna ou externa (FUCHS, 1977).
5.2.3.2 Ferragens e acessórios
São representados pelo conjunto de peças a suportar os cabos e ligarem os mesmos às cadeias de isoladores e estas às estruturas. O desenho das ferragens e dos acessórios é de extrema relevância pois podem constituir-se de fontes de radiointerferência (FUCHS, 1977).
As cadeias de isoladores são um conjunto de peças que tem como objetivo suportar os cabos a ser ligadas a elas e estas ligadas às estruturas. A sua importância é tanta que pode afetar a durabilidade dos cabos. A novas ferragens e seus acessórios são projetados de forma a não possuírem pontas, angulosidades, irregularidades superficiais. Ainda, é preciso levar em consideração os materiais que têm contato com os cabos de alumínio ou suas ligas, pois esses devem ser compatíveis eletroliticamente com os mesmos, para não haver corrosão galvânica (LABEGALINI et. al, 1992).
5.2.3.3 Cadeias de Suspensão
As cadeias dos isoladores devem suportar os condutores e transmitir aos suportes todos os esforços recebidos. Em sua parte superior deve receber uma peça para ligar-se à estrutura e na parte inferior, terminam em pinça (FUCHS, 1977).
O conjunto de solicitações atuantes sobre os cabos, horizontais ou verticais, cria no condutor uma tensão mecânica em pontos de suspensão. Por causa do peso do cabo e da sua rigidez, aparecem esforços de flexão e cisalhamento. Portanto é necessário que a curvatura inferior da calha onde ficam as pinças, se amolde à
curvatura natural dos cabos e que seu raio seja o mesmo dos cabos (LABEGALINI et. al, 1992).
5.2.3.4 Dispositivos Antivibrantes
Um dos fatores que mais limita, mecanicamente, o uso de cabos, são as vibrações induzidas pelo vento, estas que causam fadiga no material. Com o uso desses dispositivos, capazes de dissipar a energia das vibrações, pode-se reduzir a probabilidade de ruptura dos cabos junto aos seus pontos de suspensão, podendo aumentar suas trações e reduzir suas flechas (LABEGALINI et. al, 1992).
De acordo com (Labegalini et. al, 1992, p. 61), há basicamente três tipos de dispositivos Antivibrantes, são eles:
Varetas Anti-Vibrantes ou Armaduras Anti-Vibrantes;
Amortecedores de Vibração;
Pontes Anti-Vibrantes ou Festões.
5.3 ESTRUTURA DAS LINHAS DE TRANSMISSÃO
Também conhecidas como suporte da LT, as estruturas desempenham uma dupla função nas linhas aéreas de transmissão. Primeiramente, proporcionam pontos de fixação dos cabos condutores através de sua estrutura isolante, garantindo assim, as distâncias de segurança entre condutores energizados e a estrutura e condutores com solo. Por último, amarram, por suas fundações, as linhas ao terreno, onde transmitem todas as suas solicitações submetidas nos elementos da estrutura (LABEGALINI et. al, 1992, p. 64).
As estruturas das linhas de transmissão constituem os elementos de sustentação dos cabos. Seus pontos de suspensão são de acordo quanto forem os cabos condutores e cabos para-raios a serem suportados (FUCHS, 1977).
As dimensões e formas dependem de diversos fatores, segundo (Fuchs, 1977) são os fatores:
Disposições dos condutores;
Distância entre condutores;
Dimensões e formas de isolamento;
Flechas dos condutores;
Altura de segurança;
Função mecânica;
Materiais estruturais;
Número de circuitos etc.
Por isso a grande variedade de estruturas utilizadas.
5.3.1 Dimensão das estruturas
São determinadas, segundo (FUCHS, 1977), principalmente pelos fatores de:
Tensão nominal de exercício;
Sobretensões previstas;
Como fatores secundários intervêm:
Flecha dos condutores;
Forma de sustentação dos condutores;
Diâmetro dos condutores.
Em função desses elementos citados, as normas de diversos países fixaram a determinação das distancias entre condutores, altura dos seus pontos de suspensão e distância deles à parte aterrada da estrutura. O Brasil utiliza a norma ABNT NB-182/1972 (FUCHS, 1977).
5.3.2 Classificação das Estruturas das Linhas de Transmissão
Dos diversos critérios a serem usados para a classificação os mais utilizados segundo Fuchs (1977) são:
Quanto a sua função na linha;
Quanto a sua forma de resistir;
Quanto ao material empregado em sua fabricação.
5.3.3 Funções das estruturas nas linhas de transmissão
A ABNT NB-182/72 – Projeto de Linhas Aéreas de Transmissão e Subtransmissão de Energia Elétrica – Diz que, as cargas atuantes e suas hipóteses de cargas considerados nos projetos e cálculos dos suportes das LTE são, de acordo com (FUCHS, 1977):
A. Cargas Verticais
Componentes verticais dos esforços de tração dos cabos (condutores e para-raios);
Peso dos acessórios de fixação dos cabos (ferragens e isoladores);
Peso próprio do suporte e eventuais cargas verticais, devido ao estaiamento;
Sobrecargas de montagem, manutenção e/ou outras eventuais. B. Cargas Horizontais Verticais
Ação do vento sobre o suporte, na direção normal da linha;
Componentes horizontais transversais dos esforços de tração dos cabos e eventuais esforços horizontais introduzidos pelo estaiamento.
C. Cargas Horizontais Longitudinais
Componentes horizontais longitudinais dos esforços dos cabos e eventuais esforços introduzidos pelo estaiamento;
Ação do vento sobre o suporte, na direção da linha.
As cargas citadas anteriormente, podem ser consideradas cargas normais, sobrepõe-se ainda cargas anormais, ou excepcionais, estas que em certas condições, os condutores devem resistir. São elas provocadas por rompimento de um ou mais cabos (FUCHS, 1977).
As estruturas têm a função geral de suportar condutores, porém também possuem funções subsidiárias, no qual a influência é marcante em seu dimensionamento. São funções relacionadas com o tipo de carga suportada (FUCHS, 1977).
5.3.3.1 Estruturas de Suspensão
Essas estruturas são dimensionadas para suportar cargas normais verticais e cargas normais horizontais transversais devido à ação do vento sobre os cabos e as estruturas. Consiste também em resistir à esforços excepcionais, resultante da composição de componentes longitudinais dos esforços de tração nos cabos em pequenos ângulos, aproximadamente 5º (FUCHS, 1977).
5.3.3.2 Estruturas de Ancoragem
Estas estruturas são divididas em duas partes: ancoragem total e ancoragem parcial.
Para Fuchs (1977) a ancoragem total é:
Também chamadas de estruturas de fim de linha, são dimensionadas para resistir a todas as cargas normais e excepcionais, unilateralmente. São, portanto, as estruturas mais reforçadas das linhas.
E a ancoragem parcial:
São empregadas em pontos intermediários das linhas, servindo normalmente como pontos de tensionamento. Menos reforçadas do que as primeiras, resistem em geral, aos esforços normais de tração unilateral, nas condições diárias de operação, além dos esforços transversais e longitudinais normais, e às cargas excepcionais. Uma vez obrigatórias em todas as linhas, com distância variáveis de 5 a 10 km entre si, hoje não mais são assim consideradas, podendo, inclusive, ser omitidas.
5.3.3.3 Estruturas para ângulos
São estruturas dimensionadas para resistir aos esforços normais, inclusive forças devido a presença de ângulos. Em uma mesma linha há diversos tipos de estruturas para ângulos, dependendo dos seus valores. Resistem às cargas excepcionais (FUCHS, 1977).
5.3.3.4 Estruturas de derivação
Quando deve-se fazer uma derivação sem haver necessidade de interrupção ou seccionamento nesse ponto, a linha é derivada de estruturas apropriadas para esse fim (FUCHS, 1977).
5.3.3.5 Estruturas de transposição ou rotação de rotação de fase
Para assegurar a simetria elétrica de uma linha, é necessário o emprego de rotação ou transposição de fase, feita em estruturas especiais que permita essa rotação desejada (FUCHS, 1977).
5.3.3.6 Formas de Resistir das Estruturas
De acordo com Fuchs (1977), as LTEE sofrem três solicitações diferentes, sendo elas:
Solicitação axial vertical;
Solicitação horizontal transversal;
Solicitação horizontal longitudinal.
Uma estrutura de Torre de LTEE pode ser considerada como uma viga vertical engastada no solo, com cargas verticais e transversais horizontais, concentradas na parte superior dela. As cargas horizontais provocam momentos elevados na linha de engastamento e são preponderantes no seu dimensionamento (FUCHS, 1977).
5.4 MODELOS DE ESTRUTURAS UTILIZADAS NAS LTEE
5.4.1 Modelos de estruturas verticais
Existem tipos de estruturas verticais que são utilizadas para suportar todos os equipamentos de transmissão elétrica. A escolha da estrutura é feita de acordo com os fatores em que ela será construída (solo plano ou montanhoso), carregamento máximo que se deseja instalar, altura máxima que se deseja alcançar e área para o dimensionamento da base da estrutura (ROTHIER, 2017).
Existem várias formas de conceber uma estrutura para atender de acordo com suas exigências. A determinação do tipo de estrutura a ser utilizada é uma parte muito importante do projeto e tem grande influência no resultado final (ZAMPIRON, 2008).
A seguir serão apresentadas as principais estruturas atualmente utilizadas na transmissão de energia elétrica aéreo e suas diferenças: torres autoportantes, estaiadas e postes.
5.4.1.1 Torres Autoportantes
Segundo Zampiron (2008, p. 25):
As torres autoportantes são formadas por uma única estrutura, usualmente modeladas como viga em balanço. São geralmente susceptíveis aos efeitos dinâmicos do vento, com comportamento altamente dependente do amortecido.
As torres autoportantes são estruturas que transmitem todos os esforços diretamente para sua fundação, comportam-se como vigas engastadas, como elevados momentos fletores juntos à linha de solo (FUCHS, 1977).
Essa estruturas podem ser, segundo Fuchs (1977):
A. Estruturas rígidas – São dimensionadas para resistir aos esforços normais e sobrecargas, sem deformações elásticas perceptíveis, e às cargas excepcionais, com deformações elásticas de menor importância. Em seu aspecto geral, são simétricas em ambas as direções (longitudinais e transversais), com dimensões relativamente grandes, e construídas em estruturas metálicas treliçadas.
B. Estruturas flexíveis – Resistem apenas às cargas normais e sem deformações perceptíveis, resistindo à sobrecargas e esforços excepcionais com deformações elásticas consideráveis. São simétricas em ambas as direções e se caracterizam pelo elevado grau de esbeltez; os postes singelos são exemplos típicos desse tipo de estrutura, como também são os pórticos articulados.
C. Estruturas mistas ou semi-rígidas – São rígidas em uma direção e flexíveis em outra. Assim, são estruturas simétricas com dimensões maiores na direção em que são rígidas e menores nas outras. É o caso de pórticos contraventados.
As vantagens desse tipo de estrutura é a menor área necessária para a sua instalação e menores custos de manutenção. Outra vantagem é a sua confiabilidade, que reflete na menor frequência de acidentes (ZAMPIRON, 2008).
Geralmente, é utilizado torre com formato retangular ou triangular, dividida ao longo da sua dimensão em duas partes verticais: o tronco do cone na parte inferior e a reta na parte superior (Figura 6). As torres autoportantes requerem uma área de solo de no máximo 15mx15m, bem menor que torres estaiadas e maior que os postes (ROTHIER, 2017).
Figura 6: Torre treliçada em aço Autoportante Fonte: ZAMPIRON (2008)
5.4.1.2 Torres Estaiadas
As torres estaiadas têm montantes retos e são mais esbeltas, sua construção exige uma grande área, aproximadamente 80 metros de diâmetro, devido ao alcance dos seus estais que tem a função de suportar os esforços da mesma (ROTHIER, 2007
apud. GUIMARÃES, 2008).
Essas torres são, normalmente, estruturas flexíveis ou mistas que são enrijecidas através dos tirantes ou estais. Os tirantes absorvem parte dos esforços horizontais e transmite diretamente ao solo pelas âncoras. A outra parte é transmitida axialmente pela estrutura (FUCHS, 1977).
De acordo com o Fuchs (1977, p. 45), “Os tirantes são, em geral, construídos com cabos de aço galvanizado a fogo, do tipo HS ou SM, de 7 (sete) tentos, e diâmetros nominais variáveis”.
De acordo com Mulherin (1998) apud. Zampiron (2008), “139 de 140 acidentes citados envolvem torres estaiadas”.
Figura 7: Estrutura treliçada em aço Estaiada Fote: ZAMPIRON (2008)
5.4.1.3 Postes
Os postes são estruturas constituídas por um único elemento vertical, podendo este ser de concreto armado ou tubos de aço, geralmente, são utilizados para menores alturas entre 20 e 60 metros. Sua grande vantagem entre os outros tipos de torres treliçadas é a sua agilidade de instalação (ZAMPIRON, 2008).
OS postes são formados por segmentos de seção variável que, geralmente, não ultrapassam seis metros. É mais comum o uso de flanges para ligar os segmentos do poste, porém existe um novo método denominado Slip Joint que é constituído por um encaixe que permite que um segmento transpasse o outro resultando numa
estrutura de paredes duplas. Sua maior vantagem é o aumento da rigidez e o amortecimento (ZAMPIRON, 2008).
Figura 8: Poste de linha de transmissão Fonte: Acervo Próprio (2018).
Por exigirem uma menor área de construção, os postes são geralmente usados em áreas urbanas.
5.5 MATERIAIS DAS ESTRUTURAS
De acordo com os diferentes tipos de estruturas anteriormente citados, tem-se dois materiais que são, geralmente, escolhidos em sua construção: aço e o concreto. Sua escolha se baseia em custos, desempenho e estética (ROTHIER, 2017).
5.5.1 Aço
O aço pode ser definido, de modo mais claro, como uma liga metálica composta de ferro com pequenas quantidades de carbono, o que proporciona em suas propriedades específicas, resistência e ductilidade, adequadas ao uso na construção civil (SILVA, 2012).
O aço é o material mais utilizado em todos os tipos de estruturas, sua maior vantagem é a facilidade de transporte e instalação. É, também, um material com elevada resistência, sua utilização deixam as torres mais leves e com a menor taxa de amortecimento possível. Com isso, vibrações forte e frequentes podem causar danos à estrutura ao longo do tempo (ZAMPIRON, 2008).
5.5.1.1 Vantagens do uso de aço
Alívio de carga nas fundações: por ser um material mais leve que o concreto, uma estrutura mais leve requer uma fundação mais barata.
Redução do tempo de obra: são peças pré-fabricadas, facilidade na montagem da obra.
Facilidade no canteiro de obras: maior organização e limpeza, além da redução de entulhos.
Maior garantia de qualidade: sua produção ocorre com um rígido controle durante o processo industrial (CONSTRUÇÃOCIVILPET,2016).
5.5.1.2 Durabilidade do aço
O aço é conhecido como um material que enferruja, por isso, acontece de sua utilização ser questionada. Porém, atualmente existem mecanismos, como pinturas
especiais que evitam a corrosão e as tornam seguras
(CONSTRUÇÃOCIVILPET,2016).
O aço galvanizado entra como uma das melhores opções em torres de aço por sua proteção contra a corrosão.
5.5.2 Concreto Armado
Segundo Lehmann apud. Zampiron (2008) “Torres de concreto armado apresentam um maior custo de construção, mas também maior rigidez”. Essas torres tema alturas entre 20 e 60 metros e diâmetros entre 30 e 100 cm, a falta no uso dessas torres levam em consideração a quantidade de acidentes ocorridos e por
apresentarem grande número de problemas na execução (LEHMANN apud. ZAMPIRON, 2008).
5.6 ESTRUTURA TRELIÇADA EM AÇO
O uso de estrutura treliçada para suporte de uma LT, é uma solução muito versátil. Qualquer problema de altura, disposição, carregamento, distanciamento de cabos e/ou equipamentos, são fáceis de serem resolvidos por uma estrutura treliçada, já que esta pode ser usada, modificada ou projetada para absorção e transmissão das cargas mecânicas suportadas (LABEGALINI et. al, 1992).
Assim como outras simples estruturas, as estruturas treliçadas compõem famílias que atendem aos casos comuns de determinadas classes de tensão e filosofias de transmissão. Existem muitas famílias, definidas e projetadas, normalizadas por concessionarias e a disposição pelos fabricantes no mercado (LABEGALINI et. al, 1992).
Segundo Labegalini et. al (1992, p. 318) “Para casos especiais, impossíveis de serem resolvidos com uma das estruturas padronizadas, parte-se para o projeto de uma estrutura especial que atenda às solicitações e situações específicas”.
O número de famílias por fabricantes e normalizadas por concessionarias são grandes. Portanto, fica à livre escolha o projeto de novas arquiteturas, tanto para famílias completas quanto para soluções específicas (LABEGALINI et. al, 1992).
5.6.1 Perfis estruturais de aço
Os perfis estruturais de aço podem ser obtidos pelos seguintes métodos:
Laminação;
Solda;
Dobramento. 5.6.1.1 Perfil laminado
São produzidos através da laminação de blocos de aço, suas limitações de fabricação são devidas às próprias cadeiras de laminação que impõem uma bitola de altura máxima e mínima, de acordo com os equipamentos. Podem ser aplicados em vários seguimentos da construção civil e podem ser fabricados em diversas formas ou seções (SCHMITHAUS, 2015).
Por causa dos seus métodos de fabricação, estes tipos de perfis adquirem uma resistência estrutural muito maior do que comparados a outros perfis. Por outro lado, como são produzidos em larga escala, há limitações de especificações aos perfis comerciais produzidos, os compadores deve escolher o que mais me aproxima com suas necessidades de acordo com uma tabela fornecida pelos vendedores (SCHMITHAUS, 2015).
5.6.2 Elementos
As estruturas treliçadas são projetadas peça por peça, independente do seu material, como se fosse uma montagem de um quebra-cabeças. Independente de tamanho, finalidade ou qualquer outra variável, as estruturas se compõe de dois elementos, são eles: membro e nós. Os membros tracionam ou comprimem e os nós são conectores ou junções (LABEGALINI et. al, 1992).
5.6.2.1 Membros
De acordo com Labegalini et. al (1992, p. 323) “Os membros invariavelmente são construídos de cantoneiras de aço de carbono e galvanizadas a fodo depois de furadas, cortadas e usinadas”.
Também conhecidos como pernas ou barras das treliças, os membros estão sujeitos apenas a dois tipos de esforços: tração e compressão. Na aproximação entre realidade e hipótese dos cálculos, as cargas devem ser aplicadas nos nós das treliças, logo haverá um nó em cada carga no meio da barra. As cargas de peso próprio e ação dos ventos, introduzem esforços de flexão nos membros, porém são desprezados no seu próprio dimensionamento (LABEGALINI et. al, 1992).
5.6.2.2 Conectores ou junções
Elementos responsáveis pela conexão entre os membros da treliça, e ancoragem das cargas externas à estrutura: penca de isoladores, suporte para para-raios e conexão dos cabos (LABEGALINI et. al, 1992)
Figura 9: Detalhe de fixação de cadeias Fonte: Labegalini et. al, 1992
Os conectores e junções são construídos por pedaços de cantoneiras ou chapas cortadas, furadas e conectadas por parafusos e porcas galvanizados. As cantoneiras dos montantes são conectadas por pedaços de cantoneiras projetadas como conectores, de forma que todas a mecânica esteja segura (Fig. 10). As conexões dos demais membros são feitas com chapas cortadas, furadas e dimensionadas para sua transmissão de esforços como mostra a figura 11 (LABEGALINI et. al, 1992).
Figura 10: Conexão de montantes Fonte: Labegalini et. al, 1992
Figura 11: Conexão entre montante e outros membros Fonte: Labegalini et. al, 1992
5.6.3 Carregamentos
As Torres de Linha de Transmissão elétrica estão sujeitas à três principais carregamentos que, também são conhecidos como ações, sendo eles:
Ações Permanentes (Peso Próprio, isoladores, condutores, esfera de sinalização);
Ações de Sobrecarga (carga de montagem e manutenção);
Ações de vento.
Existem também os carregamentos definidos por normas como, carga de contenção. Para prevenir o efeito cascata, a torre tem que simular a ruptura de cabos para o seu dimensionamento e assim resistir possível ruptura do cabo sem derrubar outra torre (ARGENTA, 2007).
5.6.3.1 Ações Permanentes
O peso próprio da torre de transmissão é calculado de modo que as seções transversais dos perfis serão definidas no próprio estudo. O carregamento dessa ação é calculado diretamente pelo programa computacional a ser utilizado (ROTHIER, 2017).
O peso dos condutores é calculado utilizando-se o vão multiplicado pelo peso do condutor em quilometro, fornecido pelo fabricante. O peso dos isoladores e das
ferragens são acrescentadas ao peso dos condutores para a aplicação no nó correspondente. O peso próprio sempre estará presente no carregamento (ARGENTA, 2007).
5.6.3.2 Ações de Sobrecarga
Essas ações são resultados da ocupação e uso da estrutura. No caso especifico de torres autoportantes, as ações de sobrecarga são devido à montagem da torre e sua manutenção, por serem ações de peso, elas são consideradas ações gravitacionais (ROTHIER, 2007).
5.6.3.3 Ações de Vento na Estrutura
As ações de vento é o carregamento de maior impacto sobre uma torre de linha de transmissão elétrica. É por causa dela que acontecem a maior parte dos acidentes.
De acordo com Carril (apud. Argenta, 2007):
O primeiro passo para analisar os efeitos do vento numa estrutura, no caso uma torre de transmissão, é listar todas as possíveis forças que este pode provocar na mesma. A principal força incidindo nesta estrutura é causada pelo vento, sendo predominante a parcela correspondente à componente média das velocidades do vento. Por ter um tempo alto de aplicação, esta parcela pode ser admitida como uma força de efeito estático. No entanto, alguns efeitos dinâmicos devem ser verificados. As forças de martelamento devidas à turbulência atmosférica, definidas como a excitação da estrutura pela componente flutuante da velocidade do vento, são as principais forças dinâmicas a que uma torre de transmissão está sujeita.
É notável, observando o vento, que o valor e a direção do vetor velocidade variam em torno de uma velocidade média. Estas variações são conhecidas como rajadas de vento. A NBR 6123 (2013), estabelece que a velocidade média é constante durante um tempo e pode ser considerada como esforços estáticos na estrutura. Portanto, a parte flutuante das velocidades podem induzir efeito dinâmico em estruturas esbeltas (ARGENTA, 2007).
A velocidade básica do vento é dada pelo mapa de isopletas do vento para o Brasil, mostrado na Figura 12 a seguir:
Figura 12: Mapa de isopletas do vento no Brasil Fonte: NBR 6123/2013.
As cargas do vento nos condutores, nos isoladores e nas esferas de sinalização, são aplicadas no suporte da torre. Para o cálculo de carga de vento nos condutores é necessário calcular antes o vão do vento, sendo a média entre dois vãos adjacentes, utilizado como comprimento total do cabo (ARGENTA,2007).
O dimensionamento de torres que levam em consideração os esforços de vento nos condutores e isoladores, serão considerados em esforço estático de acordo com as normas NBR 6123 e NBR 5422 (ARGENTA, 2007).
A norma NBR 6123/2013 apresenta métodos de encontrar força devido ao vento que atua numa estrutura, são eles: coeficientes de pressão, coeficientes de forma e coeficientes de força. O procedimento tem como expressão final a equação (3), sendo 𝐹𝑎 a força de arrasto provocada pelo vento em uma certa altura.
𝐹𝑎 = 𝐶𝑎. 𝑞. 𝐴𝑒 (3)
Onde, 𝑞 é a pressão dinâmica do vento, 𝐶𝑎 é o coeficiente de arrasto e 𝐴𝑒 é a área de projeção ortogonal da edificação. Essa força varia ao longo do comprimento
da torre e é calculada de forma a serem aplicadas várias cargas pontuais na torre (ABNT NBR 6123/2013).
5.7 RECOMENDAÇÕES
Como as barras que compõem as estruturas treliçadas são dimensionadas apenas aos esforços de tração ou compressão, desprezando a flexão devido ao peso próprio e esforço de vento, a flexão deve ser analisada nos elementos que servem de suporte durante a montagem e manutenção. Estes elementos devem resistir uma carga de aproximadamente 980,665N, dentro do limite elástico do material e aplicada verticalmente numa posição desfavorável. O dimensionamento à tração considera apenas a área liquida da seção e a tensão de escoamento do aço. O dimensionamento à compressão leva em conta a flambagem, a esbeltez, a compacidade da seção, o grau de fixação e a excentricidade na aplicação dos esforços (LABEGALINI et. al, 1992).
5.7.1 Índice de esbeltez
A Tabela 1 a seguir indicam os índices de esbeltez máximos admissíveis.
Tabela 2: Índice de esbeltez
Elementos Índice de esbeltez -
λ Comprimido Montante 150 Braços 150 Diagonais 200 Tracionados 375
Redundantes não calc. 250
Fonte: Labegalini et. al, 1992.
5.7.2 Perfilados mínimos
De acordo com Labegalini et. al (1992, p. 328) “Os perfilados mínimos indicados para a construção de estruturas de torres de L.T. são: - Pernas ou montantes: L 2” x1/4”; - Diagonais e outros: L 1 3/4"x3/16” “.
Quanto à sua espessura recomenda-se as da Tabela 3:
Tabela 3: Espessura dos Elementos
Elemento Espessura - t
Outros 3mm (≅ 1/8")
Chapas de ligação 4mm (≅ 3/16")
Fonte: Labegalini et. al, 1992
5.7.3 Conectores
Nos conectores, os parafusos devem ser dimensionados de acordo com os esforços de tração e cisalhamento, as chapas e os perfis em relação ao esmagamento. Para vencer o cisalhamento pode-se utilizar chapas duplas nos conectores. O espaçamento e a posição dos furos devem ter critérios que minimizem os problemas de concentração de esforços, ao mesmo tempo que facilite a fabricação, a montagem e a manutenção (LABEGALINI et. al, 1992).
Os furos de um membro são feitos em conjunto e puncionados diretamente nos diâmetros nominais definitivos. Para (Labegalini et. al, 1992, p. 328) as relações devem ser satisfeitas de acordo com a relação de furos nos membros:
d’ ≤ D+1,6
t ≥ d’ +1,6 mm, onde,
L1 ≥ 1,2D – para borda laminada L1 ≥ 1,4D – para borda cortada L2 ≥ 2,3D
Onde:
D é o diâmetro do parafuso, t é a espessura do material puncionado, d’ é o diâmetro do furo, L1 é a distância entre o centro do furo e a borda e L2 distância entre centros de furos.
5.7.4 Marcação
Para (Labegalini et. al, 1992, p. 329) “Cada elemento da estrutura deve ser marcado, de tal forma a permitir que se identifique sua posição na estrutura e a estrutura a qual pertence”.
Os parafusos devem ter um diâmetro mínimo e um máximo compatível com o tamanho da aba do perfil em uso. Os valores recomendados segundo (LABEGALINI
et. al, 1992, p. 329) são de acordo com a Tabela 3.
Tabela 4: Recomendação dos parafusos em função da largura das abas
Largura mín. da aba (mm) 35 40 45 50 60 65 75 80 Diam. Máx. parafuso (mm) 12 14 16 19 22 25 28 32
Fonte: Labegalini et. al, 1992
5.7.6 Proteção à corrosão
A proteção contra corrosão deve ser feita pela galvanização a fogo. O consumo de zinco por m² de área galvanizada deve satisfazer os valores da Tabela 4 a seguir:
Tabela 5: Massa da camada de zinco (g/cm³)
Peças Valor médio
das peças ensaiada
Valor individual da cada peça
Parafusos e porcas 380 305
Chapas e perfis de espes. Inferior a 5,00mm
610 550
Chapas e perfis de espes. Igual ou sup. a 5,00mm
700 610
Fonte: Labegalini et. al, 1992
5.7.7 Compacidade
A compacidade é uma cantoneira em relação a b/t, como mostra na Fig. 14, onde é válida a seguinte relação:
Figura 13: Cantoneira de abas iguais Fonte: Labegalini et. al, 1992
De acordo com (Labegalini et. al, 1992, p. 330) “Em função da compacidade (b/t) da cantoneira e da tensão mínima de escoamento de aço utilizado (σe), os perfis
são separados em três grupos para a prevenção de flambagem local”.
Tabela 6: Compacidade ↓ Grupo Aço → Aço comum σe = 2500kp/cm2 Aço AR σe = 3500kp/cm2 1. Grupo b/t ≤ 663/√σe 13 11 2. Grupo 663/√σe ≤ b/t ≤ 994/√σe 13-20 11-20 3. Grupo 994/√σe ≤ b/t ≤ 20 ≤ 20 ≤ 20
Fonte: Labegalini et. al, 1992
Conforme a Tabela 6, não se admite compacidade superior a 20.
5.7.8 Esbeltez efetiva
Determina- se esbeltez λ de uma haste perfilada e birrotulada, a relação de comprimento de flambagem do perfil por raio de giração da seção do perfil (LABEGALINI et. al, 1992, p. 331), como mostra a equação a seguir:
A maioria dos membros de uma estrutura são engastadas ou semi-engastadas. Por isso, o comprimento real de cada perfil da estrutura não é o valor l a ser considerado no cálculo da flambagem. O que se faz nesse caso é considerar o comprimento real l e corrigir a esbeltez λ para um novo valor de λe, chamada de esbeltez efetiva, sendo considerada no cálculo do perfil à compressão (LABEGALINI et. al, 1992).
Ligações com apenas um parafuso pode ser considerado rotulada, porém quando a conexão é feita de mais de um parafuso deve ser considerada parcialmente engastada, porém com a ressalva de que o elemento analisado deva estar conectado em outro elemento rígido e o desenho da chapa de conexão minimize a excentricidade do carregamento (LABEGALINI et. al, 1992).
A Tabela 7 mostra as várias alternativas de carregamentos e conexões através dos índices de esbeltez efetiva:
Tabela 7: Índice de esbeltez efetiva
λ Carregamento
Conexão
λe
λ ≤ 120
Carregamento concêntrico nos cabos nos dois extremos
λ = λe
Carga concêntrica em um extremo a excêntrica no outro
λe = 30 + 0,75λ Carregamento excêntrico nos dois
extremos
λe = 60 + 0,50λ
λ >120
Elementos rotulados nos dois extremos λ = λe (λ≤ 200) Elementos parcialmente engastados em um extremo e rotulado no outro λe = 28,6 + 0,762λ (λ ≤ 225) Elemento parcialmente engastado
nos dois extremos
λe = 46,2 + 0,615λ (λ ≤ 250)
Fonte: Labegalini et. al, 1992
5.7.9 Formulário para compressão
De acordo com o Labegalini et. al (1992, p. 332) para o dimensionamento de perfis sujeitos à compressão, tem- se:
σc= σ- (
σ2𝜎𝑐 =
𝜋2𝐸λ𝑒2 (7)
Onde:
C = 𝜋√2𝐸/λ𝑒 – Valor crítico da esbeltez efetiva E = módulo da elasticidade do aço (N/m²) 𝜎𝑐 = tensão limite de compressão (N/m²) 𝜎 é definido por vários grupos de perfis
5.7.10 Ação do Vento
O vento não é considerado em cada elemento da estrutura (flexão), sua ação é necessária no dimensionamento dos montantes. Os perfis das estruturas estão sujeitos a uma pressão q (kgf/m²) do vento, esta que fica em função da velocidade V (m/s) (LABEGALINI et. al, 1992). Como mostra a Equação a seguir:
𝑞 =
𝑉²16
(8)
Para o cálculo da ação do vento na estrutura, considera-se que a incidência do vento seja normal em uma face e variável de acordo com a Tabela 8:
Tabela 8: Incidência do vento
Altura sobre o terreno (m) Velocidade do vento Pressão do vento - q (kgf/m²) (km/h) (m/s) 0-40 100 27,8 48 110 30,6 60 120 33,5 70 40-100 135 38 90 100-150 150 43 115 150-260 160 45 125
5.7.11 Análise dos esforços
De acordo com Labegalini et. al, (1992, p. 334) “Todo carregamento aplicado à estrutura é absorvido nos nós e transmitidos de nó a nó pelos membros até as fundações”.
LABEGALINI et. al, (1992, p. 334) ainda reforça que existem regras a serem seguidas para a absorção dos vários esforços, são elas:
Todas as forças transversais são absorvidas pelas faces transversais da estrutura.
Todas as forças longitudinais são absorvidas pelas faces longitudinais da estrutura.
Todas as forças verticais são transmitidas pelos braços e montantes (pernas) da estrutura.
Nos painéis compostos de membros cruzados tracionados, todos os cisalhamentos são resistidos pelos membros tracionados do painel.
Em painéis compostos de membros designados para resistir compressão ou tração, o cisalhamento é dividido igualmente entre eles.
Os momentos de torção resultantes de esforços horizontais assimétricos (rompimento ou montagem dos cabos), são resistidos pelos reforços horizontais no nível onde o momento é aplicado.
5.7.11.1 Análise Linear
Quando se trata de análise linear em projetos de estruturas em aço, tem-se a NBR 8800/2008, esta que oferece condições gerais de projeto para a análise da estrutura.
Essa análise é utilizada na verificação de estados limites de serviço. Seu uso estende-se para verificação de estado limite-ultimo se garantir a ductilidade dos elementos estruturais. Na análise linear com redistribuição, os efeitos das ações são redistribuídos na estrutura, para as combinações de carregamento do estado limite último (SORIANO, 2005).
Ainda é permitida a análise elástica ou plástica, sendo que a plástica deve obedecer as características do aço e da seção da barra, da contenção lateral e do dimensionamento das emendas (SORIANO, 2005).
As análises dos esforços podem ser feitas pelo método computacional SAP2000.
5.7.12 Resolução das treliças
A Resolução das treliças conta com vários métodos para determinar seus esforços são eles: algébricos, gráficos e computacionais. Considerando que uma
estrutura tem muitos elementos em uma distribuição espacial, torna-se conveniente o uso computacional em sua resolução, pois permite uma agilidade e uma certa otimização do dimensionamento dos perfis (LABEGALINI et. al, 1992).
Depois de resolvida a treliça e o seu dimensionamento, parte-se para uma padronização dos perfis, na busca de uma simetria da estrutura (LABEGALINI et. al, 1992).
Para determinação dos esforços, pode-se contar com o método computacional SAP2000, este que permite modelar estruturas tridimensionais, no caso a torre autoportante que é uma treliça espacial. Esse método permite considerar todos os carregamentos da torre como, isoladores, condutores, etc. (MELO,2016)
5.8 NORMAS
5.8.1 ABNT NBR 5422/1985
A ABNT NBR 5422 – Projetos de Linhas aéreas de transmissão de energia elétrica (1985), fixa as condições básicas para o projeto de linhas aéreas de transmissão de energia elétrica com tensão máxima, valor eficaz fase-fase, acima de 38 kV e não superior a 800kV, de modo garantir níveis mínimos de segurança e limitar perturbações em instalações próximas (ABNT NBR 5422/85).
5.8.2 ABNT NBR 6123/2013
A ABNT NBR 6123 – Forças devido ao vento em edificações (2013), fixa as condições exigíveis na consideração das forças devidas à ação estática e dinâmica do vento, para efeitos de cálculo de edificações (ABNT NBR 6123/13).
A seção 7.7 da ABNT NBR 6123/2013, diz respeito às torres reticuladas, onde na subseção 7.7.2 tem-se torres reticuladas de seção quadrada e triangular equilátera, com reticulados iguais em todas as faces, são constituídos por casos especiais, onde pode-se calcular a força global do vento diretamente. Com isso a força de arrasto é calculada de acordo com a equação 3.
5.8.3 ABNT NBR 8842/2010
A ABNT NBR 8842 - Suportes metálicos treliçados para linhas de transmissão: Resistência ao carregamento (2010), fixa as condições básicas para o ensaio de carregamento de suportes metálicos treliçados para linha de transmissão (ABNT NBR 8842/10).
