5. recomendações e informações técnicas sobre

RECOMENDAÇÕES E INFORMAÇÕES TÉCNICAS SOBRE
FUNDAÇÕES DE LINHAS DE TRANSMISSÃO
RUBENS ASHCAR
VIII ERLAC
CESP
RESUMO
Neste trabalho são feitas recomendações sobre
fundações de linhas de transmissão, baseado nas
experiências adquiridas na CESP, e dadas informações
técnicas de forma qualitativa.
São apresentados tópicos e dados conselhos
práticos sobre os locais das estruturas e investigações
geotécnicas.
Estão descritos os métodos de cálculo, os
coeficientes de segurança e os tipos de fundação
utilizados pela CESP, nas torres autoportantes, torres
estaiadas e postes, acompanhados de recomendações
nas fases de projeto e de construção.
Também são mostrados três exemplos de
redução de custo e um de economia, obtidos na
empresa, nas fundações e estruturas de linhas de
transmissão.
PALAVRAS-CHAVE
Fundação - Linhas de Transmissão - Recomendação
1.
INTRODUÇÃO
O crescimento do consumo de energia elétrica
no Brasil tem exigido a construção de diversas linhas
de transmissão, implicando em altos investimentos
neste setor.
Visando reduzir os custos das fundações nas
linhas, torna-se cada vez mais importante a otimização
de seus projetos, bem como o processo e o controle de
suas execuções.
CIUDAD DEL ESTE -1999
Em função disto, neste artigo são
feitas
recomendações sobre fundações de linhas de
transmissão (LT’s), com base nas experiências obtidas
na CESP , e dadas informações técnicas, nas fases de
projeto e de construção.
Os critérios adotados em projeto (fundação e
estrutura) e a execução de provas de carga nas
fundações também permitem obter redução de custo
em LT’s.
2.
LOCAIS DAS ESTRUTURAS
Nos desenhos dos perfis topográficos de linhas
de transmissão encontram-se importantes dados, tais
como, travessias, natureza do terreno e vegetação,
brejos, erosões, lagoas, etc, que auxiliam a definição
dos locais das estruturas (metálica e de concreto) e a
escolha das fundações.
Há situações em que as estruturas estão locadas
em solos com nível de água elevado e impenetráveis a
pequena profundidade (indicadas nas sondagens). Em
alguns destes casos, desde que possível, é vantajoso
deslocar as estruturas, para reduzir os custos das
fundações.
Todas as dificuldades encontradas no campo
devem ser informadas aos projetistas, para facilitar a
construção das fundações.
O levantamento das cotas dos pés das torres
devem ser feitos pelo menos nos locais onde os
desníveis do terreno são mais acentuados, ainda na fase
de projeto. Deste modo, sabe-se, com antecedência, os
pés das torres que deverão ser utiliza-
Rua da Consolação, 1875 - CEP: 01301-100 - São Paulo - SP - Brasil
TEL. : (011) 234-6473
Fax: (011) 234-6477
2
dos e fabricados.
3.2
Para a definição dos afloramentos dos pés das
torres, nas fundações com stub, recomenda-se:
A realização de ensaios de laboratório, em
linhas de transmissão, depende do tipo de obra, da
natureza do solo encontrado e do maior ou menor
conhecimento geológico da região.
- Verificar os afloramentos disponíveis nos projetospadrão de fundação;
- Usar de preferência até dois afloramentos de projeto
para cada torre;
- Deixar o topo do concreto, no mínimo, 20 cm acima
do terreno;
- Verificar os afloramentos nos casos de travessias;
- Evitar cortes do terreno (proteger contra erosão, se
necessário).
Ensaios de laboratório
Através dos ensaios geotécnicos, em amostras
deformadas e indeformadas, determinam-se os
parâmetros do solo para a elaboração dos projetos de
fundação.
A execução destes ensaios é útil em provas de
carga de fundação, em projetos de fundação de longas
linhas de transmissão e em casos específicos onde se
têm dúvidas das características do solo.
Provas de carga
3.
INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS
3.3
3.1
Ensaios de campo
3.1.1
Sondagens
Visam determinar, por meios diretos, as
características de deformação ou resistência do terreno,
ou de elementos estruturais da fundação.
É essencial fazer sondagens (SPT, Rotativa e
Borro) ao longo da linha, para que as fundações das
estruturas sejam dimensionadas com segurança e
otimização.
A execução de provas de carga permite otimizar
os projetos de fundação, assim como comparar os
resultados práticos com os previstos nas teorias
existentes.
Os custos das sondagens representam de 0,5% a
1% do custo total de uma LT de 138 kV, circuito
duplo. Esta porcentagem varia conforme a região
(normal , de serra e litorânea) da obra. Para LT de 460
kV, circuito duplo, os custos das sondagens são
inferiores a 0,3% do total.
A realização de provas de carga (compressão e
arrancamento) também é importante para verificar a
necessidade de reforço das fundações nas seguintes
situações:
Recomenda-se executar sondagens tipo SPT,
próximas ao piquete central, em todas as estruturas de
ancoragem e fim de linha, e em locais tais como:
travessias de rios, aterros, fundos de vale, alagados,
erosões e encostas.
A CESP faz em média uma sondagem SPT a
cada cinco estruturas e dependendo do conhecimento
da região, esta proporção poderá variar até 1 para 10.
Também são executadas sondagens tipo Borro, em
todas as estruturas da linha, exceto nos locais das
sondagens SPT/Rotativa.
Dependendo da região, é necessário fazer
sondagem Rotativa em cada pé da torre metálica,
devido à diferença de materiais atravessados.
Vale lembrar que, antes de executar as
sondagens, deve-se aferir seus equipamentos,
principalmente o peso do martelo padrão e o
comprimento do amostrador padrão.
3.1.2
Investigações auxiliares do solo
As sondagens a trado, os poços de inspeção, e a
determinação da densidade natural/compactada e da
umidade natural fornecem informações de solo que
auxiliam os projetos de fundação.
- Novas condições de pressão de vento atuando numa
LT em relação às consideradas no projeto original [1];
- Recapacitação de LT.
Como as condições das fundações melhoram no
decorrer do tempo, devido ao confinamento do solo, é
vantajosa a realização de provas de carga, cujos
resultados poderão reduzir os custos de reforço das
fundações ou até mesmo evitar o reforço das mesmas.
Referente a ensaios, a CESP determinou a
aderência média solo x estaca (6 meses após a cravação das estacas) , na região litorânea de Bertioga,
obtendo-se o valor de 1,4 tf/m2 na estaca de concreto
e de 1,8 tf/m2 na estaca metálica. O solo é constituído
de camadas intercaladas de areia fina, siltosa, fofa, com
argila siltosa, muito mole a mole, submerso.
4.
DIMENSIONAMENTO DAS FUNDAÇÕES
4.1
Métodos de cálculo - Torres metálicas
Os métodos mais utilizados pela CESP para o
cálculo da capacidade de carga à tração (arrancamento) das fundações para as torres metálicas são: Método
do cone e Método do cilindro de atrito.
O dimensionamento à resistência lateral
(esforço horizontal) das fundações em tubulão tem sido
3
feito pelo Método de Wiggins (Journal of the Power
Division). Em fundação rasa, compara-se o momento
resistente (pesos do solo e concreto) com o momento
atuante na base da fundação.
Para o cálculo da capacidade de carga do solo à
compressão é mais usual determinar a tensão do solo
por correlação com o número de golpes da sondagem
tipo SPT, necessitando-se experiência profissional.
Também aplica-se o Método de Terzaghi (teórico).
Convém alertar que a carga de trabalho e a
carga última (carregamento da torre) estão relacionadas com a tensão admissível e a tensão de ruptura do
solo, respectivamente.
4.2
Método de cálculo - Postes
A CESP tem aplicado o Método de Sulzberger
para calcular as fundações de postes.
4.3
Coeficiente de segurança - Torres metálicas
O coeficiente de segurança utilizado para o
dimensionamento das fundações de torres metálicas
(autoportante e estaiada) deve ser associado à
velocidade de vento e depende do tipo de carregamento
da torre.
Nas torres cujo carregamento não tem fator de
sobrecarga (carga de trabalho), recomenda-se adotar na
fundação coeficiente de segurança de 1,3 a 2,0
(depende do método de cálculo e tipo de torre).
No caso de torres com carregamento último
(“ultimate load”), recomenda-se utilizar na fundação
coeficiente de segurança de 1,1 a 1,5 (depende do
método de cálculo e tipo de torre).
4.4
Coeficiente de segurança - Postes
fundação. São executados manualmente ( fuste de 70
cm no mínimo) ou mecanicamente, com base alargada
ou não.
Em solo seco, o tubulão é moldado “in loco” e
recomenda-se fazer um alargamento mínimo na sua
base, igual ao diâmetro do fuste mais 30 cm, devido à
existência de esforços de arrancamento.
Em solo submerso, tem-se dado preferência à
fundação cilíndrica ( sem alargamento de base) com o
uso de camisas metálicas ou de concreto (sem bolsa),
mas com profundidade maior que o tubulão com base
alargada, devido à tração.
No caso de tubulão com base alargada,
recomenda-se escavar apenas o fuste com a perfuratriz
(mecanicamente), em geral com diâmetro até 1,20 m. O
alargamento de base tem sido melhor executado
manualmente.
Se as escavações forem feitas em época de
chuva e em solo arenoso, fofo (1 a 2 golpes SPT),
aconselha-se utilizar camisa metálica (recuperável) no
fuste de cada fundação, para evitar desmoronamentos
do solo e acidentes com operários.
5.1.2
Sapata
Esta fundação é aplicada a pequena
profundidade, variável de 2,0 a 3,0 m , devido à
dificuldade de escavação mais profunda (presença de
água e desbarrancamento). Por isso, não deve ser
utilizada em locais sujeitos à erosão.
A sapata deve ser executada com escavação
total, ou seja, retirada de todo o terreno atuante na
vertical sobre a base (geralmente quadrada ou
retangular) da fundação.
Usualmente utiliza-se um coeficiente de 1,4
sobre a carga nominal, correspondendo ao limite
elástico do poste (limite de carregamento excepcional).
A carga de ruptura (limite último) é no mínimo igual a
duas vezes a carga nominal.
O pilarete da sapata pode ser vertical ou
inclinado. Atualmente, tem-se utilizado o pilarete
inclinado, com mais frequência, pois os momentos
atuantes na sua base são menores, reduzindo o custo da
fundação.
5.
A sapata é viável economicamente para torres
de suspensão, em virtude dos pequenos esforços na
fundação. Para torres de ancoragem e terminal (grandes
esforços), devem ser feitas comparações de custo com
as fundações em bloco e estaqueada.
TIPOS DE FUNDAÇÃO
A seguir são feitas recomendações e
apresentadas informações técnicas sobre os tipos de
fundação de torres autoportantes, torres estaiadas e
postes, nas fases de projeto e de construção.
5.1.3
5.1
Torres autoportantes
5.1.1
Tubulão
A profundidade do tubulão varia de 3,0 m a
10,0 m , pois depende do tipo de solo e dos esforços na
Estaca
As fundações estaqueadas geralmente são
constituídas de estacas verticais e inclinadas
(engastadas num bloco), sendo as últimas destinadas a
combater os esforços horizontais.
4
Os tipos mais utilizados de estacas são: prémoldadas de concreto armado e metálicas.
Antes de escolher este tipo de fundação deve-se
observar, no campo, as condições de acesso para o
bate-estacas. Se este equipamento ficar sob linha
energizada será preciso verificar a distância da estaca
ao cabo condutor.
As estacas metálicas devem ser protegidas
contra corrosão, através de um cobrimento
(encapsulamento) de concreto de 5 cm, até 1,0 m
abaixo do nível de água.
Se a cravação da estaca for interrompida a
pequena profundidade (menos de 5 m), com comprimento insuficiente para combater o esforço de
tração, então pode-se adotar a fundação em caixa
estaqueada. Esta caixa (concreto armado) é preenchida
com solo compactado, a fim de aumentar o peso do
bloco e compensar a profundidade da estaca.
Nas torres de transmissão, normalmente
trabalha-se com energia de cravação de 1,5 tf.m e com
nega igual ou inferior a 3 cm nos últimos 10 golpes.
Sugere-se utilizar flange (em vez de stub) no
topo de cada pilarete destas fundações, como
dispositivo de fixação da torre, constituído de
chumbadores e chapa de base.
A aplicação de flange facilita e agiliza os
serviços de reconstrução da torre, numa eventual
danificação na interface torre/fundação.
O uso de estacas injetadas tem sido ainda
pequena, devido ao maior custo em relação à estaca
pré-moldada.
5.1.4
Bloco
O bloco é aplicado a pequena profundidade,
variável de 2,5 a 3,5 m , devido à dificuldade de
escavação manual. Portanto, não deve ser utilizado em
locais sujeitos à erosão e em encostas íngremes.
A fundação normalmente é executada com
escavação total. No caso de o bloco ser moldado
“in loco”, deve-se fazer o fuste com diâmetro mínimo
de 80 cm (depende da resistência do solo) para facilitar
a escavação.
Geralmente são usados chumbadores com
diâmetro de 25 mm, aço CA-50 A, e introduzidos num
furo de 50 mm, no mínimo.
Os projetos fixam o comprimento útil das
ancoragens engastadas na rocha sã ou quase sã,
medianamente a pouco fraturada.
Recomenda-se ensaiar, por estrutura,
menos um chumbador ao arrancamento.
5.1.6
pelo
Grelha
A grelha é aplicada em terreno seco e com
profundidade que varia de 2,0 a 4,0 m. Não deve ser
aplicada em locais sujeitos à erosão ou em áreas
alagadiças.
Se houver um pequeno nível de água no fundo
da fundação (cerca de 0,5 m), faz-se o esgotamento,
através de bombeamento, e concreta-se até o mesmo
nível inicial.
As principais vantagens da grelha consistem na
rapidez de execução da fundação (escavação,
montagem e reaterro) e na facilidade de transporte,
principalmente em locais de difícil acesso para o uso de
concreto.
A CESP tem constatado diversos casos de
corrosão nas grelhas, principalmente quando as
mesmas estão aplicadas em solos considerados
agressivos e até mesmo em regiões com uso intensivo
de fertilizantes e agrotóxicos.
A agressividade do solo pode ser detectada pela
medição da resistividade do solo e do coeficiente de
despolarização. Neste tipo de solo, recomenda-se fazer
uma proteção anticorrosiva ou catódica nas fundações
com grelha.
Vale também chamar a atenção para a instalação
da grelha na escavação. Devem ser feitos dois sulcos
no fundo da cava para encaixar os perfis “C” da grelha
e permitir que as cantoneiras “L” fiquem assentadas no
terreno.
5.2
Torres estaiadas
Os tipos de fundações mais empregados nas
torres estaiadas da CESP são:
- estai : bloco de concreto (tronco cônico e prismático)
5.1.5
Bloco ancorado
Esta fundação é utilizada na ocorrência de rocha
não escavável manualmente, a pequena profundidade
(1,0 a 3,0 m), onde a construção de bloco simples
(peso) é insuficiente para suportar o arrancamento,
exigindo, portanto, a sua ancoragem.
- mastro central : tubulão e sapata.
As fundações dos estais são submetidas apenas
a esforços de tração (na direção do estai). Na fundação
do mastro central atuam esforços de compressão
(verticais e horizontais).
5
Em geral, as fundações em bloco prismático
para estai são projetadas até 3,0 m de profundidade.
Para os estais com fundação em bloco tronco
cônico, sugere-se que a profundidade não ultrapasse
4,0 m. Isto deve-se ao custo da haste-âncora que fica
embutida em cada fundação.
Para a estabilidade das fundações dos estais (4)
é fundamental fazer o controle de qualidade de
compactação em cada uma das cavas.
Recomenda-se que o reaterro seja compactado
em camadas de 20 cm de espessura (no máximo) , de
modo que se obtenha densidade seca igual ou superior
a 1,8 tf/m3 e grau de compactação igual ou superior a
95% do Proctor Normal. A compactação deve ser feita
com teor de umidade próxima da ótima.
Durante a execução, é importante verificar o
posicionamento da haste-âncora, devendo estar com a
inclinação indicada no projeto.
Para o mastro central, sugere-se, calcular
projetos-padrão de tubulão com profundidade variável
de 3,0 a 5,0 m. Normalmente a sapata é projetada com
pequena profundidade (1,0 a 1,5 m).
Os cuidados na execução das fundações para o
mastro central são semelhantes às
das torres
autoportantes.
5.3
Postes
As fundações mais usuais da CESP, a partir de
69 kV, para engastamento de poste em solo seco são:
bloco cilíndrico ou retangular (moldado “in loco”) e
caixa de concreto.
Em solo submerso, as fundações mais utilizadas
são: bloco cilíndrico com tubos de revestimento de
concreto (incorporados) e bloco retangular com
escoramento.
Nos postes de suspensão, o preenchimento das
cavas, das fundações da CESP, normalmente são feitos
com reaterro compactado em solo seco, e brita ou
concreto em solo submerso.
do poste, em comparação com a fundação moldada “in
loco”, além de evitar desbarrancamento do solo.
Porém, apresenta a desvantagem de ser mais cara e
demorada.
6.
RECOMENDAÇÕES GERAIS
A seguir são feitas recomendações genéricas e
adicionais para as fundações de linhas de transmissão:
- Estudar alternativas de projeto e comparar os seus
custos;
- Dar atenção especial às fundações das estruturas
adjacentes às travessias (rios, rodovias, ferrovias e
LT’s);
- Planejar as etapas de execução da obra para evitar a
sua paralisação;
- Proteger as escavações abertas com tampões/cercas
para impedir a entrada de água (chuva) e de detritos,
bem como a queda de animais no interior das mesmas;
- Trabalhar sempre com profissionais experientes em
explosivo, no caso de sua utilização nas fundações.
7.
REDUÇÃO DE CUSTO E ECONOMIA
A seguir são descritos três exemplos de redução
de custo e um de economia obtidos na CESP:
- A utilização de esforços reais nas fundações, em
substituição aos esforços máximos, permitiu uma
redução de custo nas fundações de 31%, equivalente a
US$ 192.000, na LT 345 kV São Roque-Interlagos,
com extensão de 61 km;
- Na comparação dos custos das fundações, na
LT 460 kV Jupiá-Taquaruçu (circuito simples - cabo
Grosbeak - 208 km), entre o caso real da linha definida
com torres estaiadas (90% de estaiada e 10% de
autoportante) e o caso hipotético da linha definida com
torres autoportantes (100%), houve uma redução de
40%, equivalente a US$ 2.150.000; [3]
- A utilização de torres estaiadas (caso real) na
LT 460 kV Jupiá-Taquaruçu, em substituição às torres
Nos postes de ancoragem e terminal as cavas
geralmente são preenchidas com concreto simples.
A utilização de caixa de concreto é
recomendada especialmente no caso de a cava da
fundação ser preenchida com areia adensada com
circulação de água, em solo arenoso. Se esta fundação
(bloco) fosse moldada “in loco”, seria necessário muita
água para adensar a areia, devido à permeabilidade
deste solo.
A execução com caixa de concreto permite um
maior espaço de tempo entre a escavação e a colocação
autoportantes (caso hipotético), permitiu uma redução
global de 9,7% de custo na linha, equivalente a
US$ 4.150.000; [3]
- A CESP realizou provas de carga de compressão e de
arrancamento nas fundações em grelha na LT 138 kV
Presidente Prudente-Porto Primavera (circuito duplo cabo Grosbeak) para avaliar a resistência das mesmas,
para condições mais severas de pressão de vento (novo
carregamento), em relação às consideradas no projeto
original, devido a quatro acidentes ocorridos nesta
6
linha. Mediante os resultados destas provas de
carga, considerou-se desnecessário reforçar as
fundações em grelha (contrariando a necessidade
teórica), proporcionando uma economia de US$
1.995.000. [1]
[3]
ASHCAR, R. - Comparações de custos entre
torres estaiadas e autoportantes na LT 460 kV JupiáTaquaruçu. In: Encontro Regional Latino-Americano
da Cigré, 5o , Ciudad del Este, 1993.
AGRADECIMENTOS
8.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
A qualidade da fundação está diretamente
relacionada com a boa técnica e responsabilidade nos
serviços, tanto na fase de elaboração do projeto como
na de construção.
Para isso é importante a fiscalização permanente na realização das sondagens (dados para projeto) e
nas etapas de execução das fundações.
9.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]
ASHCAR, R. et alii - Provas de carga nas
fundações em grelha na LT 138 kV Presidente Prudente-Porto Primavera. In: Encontro Regional LatinoAmericano da Cigré, 7o , Puerto Iguazú, 1997.
[2]
ASHCAR, R. - Fundações para linhas de
transmissão. In: Seminário Avançado em Linhas de
Transmissão de Energia Elétrica, 1o , Belo Horizonte,
1996.
Aos colegas da Divisão de Engenharia de Linhas e
Subestações, pelo constante apoio e estímulo no
desenvolvimento deste trabalho, e em especial aos
engenheiros José Augusto Siqueira e Fernando Duarte
de Oliveira Barros.