ECONOMIA NAS FUNDAÇÕES DE TORRES ESTAIADAS EM LINHAS DE TRANSMISSÃO DE 460 kv. Rubens Ashcar CTEEP

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1 IX/FI-22.7 COMITÊ 22 LINHAS AÉREAS DE ALTA TENSÃO ECONOMIA NAS FUNDAÇÕES DE TORRES ESTAIADAS EM LINHAS DE TRANSMISSÃO DE 460 kv Rubens Ashcar CTEEP RESUMO Este trabalho apresenta a economia obtida nas fundações de torres estaiadas em LT's de 460 kv, mediante a utilização do bloco de concreto tronco cônico nos estais e do tubulão no mastro central, em substituição às fundações convencionais em bloco de concreto prismático e em sapata, respectivamente. Este estudo foi feito para as fundações de duas linhas de transmissão de Porto Primavera-Taquaruçu, pertencentes à CESP, executadas em solo fraco e seco. Estão descritas as características gerais destas duas linhas de transmissão, bem como informações técnicas dos projetos e da execução das fundações das torres estaiadas. São mostrados os esforços, os esquemas e as planilhas de quantidade das fundações dos estais e do mastro central. Também é abordado, de forma qualitativa, o comportamento dos blocos tronco cônico e prismático, testados ao arrancamento. PALAVRAS-CHAVE - Linhas de Transmissão - Economia 1. INTRODUÇÃO Visando subsidiar a elaboração de projetos de fundações para torres estaiadas em LT's de 460 kv, a CESP realizou ensaios de carregamento [1] em protótipos de fundações, para os estais e o mastro central, na região oeste do Estado de São Paulo. Em busca de uma nova alternativa para as fundações dos estais, a CESP resolveu ensaiar a fundação em bloco de concreto tronco cônico. Para os estais, também ensaiou-se a convencional fundação em bloco de concreto prismático. Para o mastro central, foram ensaiadas as fundações em tubulão e em sapata (convencional). Os projetos executivos das fundações, para as torres estaiadas, foram ajustados e otimizados em relação aos protótipos, baseado nos resultados dos ensaios de carregamento. Todas as fundações são moldadas "in loco" e foram calculadas para solo fraco e seco, em dois tipos de torres de suspensão. Neste artigo são feitas comparações entre os quantitativos (escavação, reaterro, concreto, armadura e haste-âncora) do bloco de concreto tronco cônico e do bloco de concreto prismático, assim como comparações entre os quantitativos do tubulão e da sapata (apoiada em solo regenerado com cimento). Este trabalho apresenta a economia nas fundações que a CESP obteve em média em suas duas linhas de transmissão de 460 kv de Porto Primavera- Taquaruçu (denominadas circuitos 1 e 2), por ter utilizado o bloco tronco cônico (estais) e o tubulão (mastro central), em vez das convencionais fundações em bloco prismático e em sapata, respectivamente. 2. CARACTERÍSTICAS GERAIS DAS LT'S DE PORTO PRIMAVERA-TAQUARUÇU A LT 460 kv Porto Primavera-Taquaruçu (circuito 1) possui 377 estruturas, sendo composta de 326 torres estaiadas (86%) e 51 torres autoportantes (14%), com extensão de 113,2 km. Al. Ministro Rocha Azevedo, 25 - CEP: São Paulo - SP - Brasil Tel.: (011) Fax: (011) rashcar@cteep.com.br

2 2 A LT 460 kv Porto Primavera-Taquaruçu (circuito 2) possui 383 estruturas, sendo composta de 315 torres estaiadas (82%) e 68 torres autoportantes (18%), com extensão de 116,7 km. Estas duas linhas são de circuito simples, com disposição de fase plano-horizontal, constituída de 4 cabos condutores CAA 636 MCM (Grosbeak) por fase. Na linha do circuito 1, utilizou-se 2 cabos pára-raios EAR 3/8" e CAA 134,6 MCM, e na linha do circuito 2 substituiu-se um dos pára-raios pelo cabo OPGW. Foram utilizadas torres estaiadas tipo V, denominadas ES4 (suspensão simples) e ER4 (suspensão reforçada). Na torre ES4, os estais são de aço (EAR) com diâmetro de 7/8", tendo um ângulo de 36 o 39' de inclinação com a vertical. Na torre ER4, os estais são de aço (EAR) com diâmetro de 1", tendo um ângulo de 31 o 08' de inclinação com a vertical. 3. PROJETOS DAS FUNDAÇÕES 3.1 Esforços nas fundações Os esforços máximos ("ultimate load") nas fundações dos estais e do mastro central das torres estaiadas, tipos ES4 e ER4, encontram-se na Tabela 1. Para o cálculo das fundações destas torres estaiadas foi adotado um coeficiente de segurança de majoração de 10% nos esforços máximos. 3.2 Tipo de solo A região das LT's 460 kv Porto Primavera- Taquaruçu (circuitos 1 e 2) apresenta predominância de solo de origem coluvionar, com incidência de areia fina, pouco argilosa, fofa, em grandes extensões ao longo do traçado. As sondagens SPT e Borro apresentaram, em geral, os seguintes índices de resistência à penetração do solo: 1 a 2 golpes até o 5 o metro de profundidade, e 3 a 8 golpes do 6 o ao 10 o metro. 3.3 Tipos de fundação A seguir são descritas informações técnicas (projeto) dos blocos de concreto tronco cônico e prismático para os estais, bem como do tubulão e da sapata para o mastro central Fundações dos estais As fundações em bloco de concreto tronco cônico e em bloco de concreto prismático, moldadas "in loco", dimensionadas para as torres ES4 e ER4, em solo fraco e seco, estão apresentadas na Figura 1. Pelo fato de as torres estaiadas estarem locadas em regiões com solo fraco, decidiu-se projetar, para os estais, um tipo de fundação com seção circular (tronco cônico), cuja escavação é mais estável que a seção retangular (prismático). Na fundação de cada estai, existe uma luva conectando a haste-âncora de comprimento variável (região inferior) com uma outra de comprimento fixo de 1,0 m (região superior), que por sua vez é interligada com o conjunto de ferragens para estaiamento. A introdução desta luva permite a execução da fundação em etapas, além de fazer com que a mesma funcione como "fusível" (dispositivo) numa eventual queda de torre, de modo a facilitar e agilizar os serviços de reconstrução da fundação. A haste-âncora de cada fundação é encapsulada com tubo de PVC rígido ( = 100 mm) preenchido com calda de cimento, para proteção contra corrosão Fundações do mastro central As fundações em tubulão e em sapata (apoiada em solo regenerado com cimento), moldadas "in loco", dimensionadas para as torres ES4 e ER4, em solo fraco e seco, estão apresentadas na Figura 2. Para o mastro central, também projetou-se um tipo de fundação com seção circular (tubulão), pois a sua escavação é mais estável que a seção retangular (sapata). O tubulão é armado no fuste e na região superior onde estão instalados os pinos dos mastros. As dimensões de escavação da sapata foram calculadas considerando-se ângulos de espraiamento de compressão de 40 o no contato de sua base com o solo regenerado com cimento (proporção de 15/1 em volume). A sapata é armada no pilarete e na base. 4. EXECUÇÃO DAS FUNDAÇÕES 4.1 Estais A escavação do fuste do bloco tronco cônico é feita com perfuratriz (mecanicamente), porém o alargamento de base tem sido executado manualmente. Em solo fraco, tem-se utilizado camisa metálica (recuperável) no fuste do bloco tronco cônico, para evitar desmoronamento da escavação e dar segurança ao operário na fase de alargamento da base da fundação. Pelas mesmas razões de segurança, o bloco prismático também é executado com escoramento metálico (recuperável), durante a escavação. Antes do lançamento do concreto na base das fundações, faz-se a verificação do posicionamento da

3 3 haste-âncora, devendo estar com a inclinação indicada no projeto. A concretagem do bloco tronco cônico é feita desde a sua cota de apoio até cm acima do início do alargamento da base, para facilitar a compactação da primeira camada de reaterro da fundação. O reaterro nos blocos de concreto tronco cônico e prismático é compactado por processo mecânico, em camadas de 20 cm de espessura (máximo), de modo a se obter densidade seca igual ou superior a 1,8 tf/m 3 e grau de compactação igual ou superior a 95% do Proctor Normal. A compactação é feita com teor de umidade próxima da ótima. É fundamental que o reaterro seja bem executado, para a estabilidade e o bom comportamento das fundações dos estais, quanto ao arrancamento. Por isso, durante a execução das fundações, é feito o controle de qualidade de compactação em cada estai, medindo-se a densidade seca e a umidade do solo em camadas aleatórias. 4.2 Mastro central Para as fundações em tubulão e em sapata, são válidos os mesmos procedimentos já descritos para as fundações em bloco tronco cônico e em bloco prismático, respectivamente, referentes aos serviços de escavação e ao processo de compactação. 5. COMPORTAMENTO DAS FUNDAÇÕES DOS ESTAIS EM TESTES DE ARRANCAMENTO A seguir, aborda-se, de forma qualitativa, o comportamento dos blocos tronco cônico e prismático (moldados "in loco"), testados ao arrancamento, na primeira linha de transmissão (LT 460 kv Jupiá- Taquaruçu) da CESP implantada com torres estaiadas. Estes testes de arrancamento foram feitos até a carga máxima, em solo fraco e seco (coluvionar), com o objetivo de verificar a qualidade de execução das fundações (recebimento). Nos blocos de concreto tronco cônico foram executados 29 testes, dos quais 19 nos estais da torre tipo ES4 e 10 nos estais da torre tipo ER4. Considerou-se, como admissível, a deformação de 25 mm na direção vertical da fundação. Este valor corresponde a 31,2 mm e 29,2 mm, na direção dos estais das torres ES4 e ER4, respectivamente. As deformações foram lidas em pares de extensômetros (simultaneamente), até a carga máxima, em estágios de 5 tf. Cada estágio foi mantido durante 3 minutos, com leituras a cada minuto. Estes testes foram realizados num único ciclo e em alguns casos em dois ciclos de carregamento. As curvas carga x deformação das fundações em bloco tronco cônico apresentaram tendências de aumento significativo de deformações, para pequenos incrementos de carga, a partir de 25 tf para a torre ES4, e a partir de tf para a torre ER4. Portanto, estas fundações apresentaram deformações pouco abaixo do valor admissível. Nas fundações em bloco de concreto prismático (menor frequência na LT) foram feitos 9 testes de arrancamento, sendo 3 nos estais da torre ES4 e 6 nos estais da torre ER4. Quanto à carga aplicada e à leitura das deformações, foram considerados os mesmos procedimentos mencionados no bloco tronco cônico. Os blocos prismáticos apresentaram deformações abaixo do valor admissível. Este tipo de bloco apresentou menor deformação que o tronco cônico, devido ao seu maior volume de escavação e de reaterro. Em todos os testes de recebimento das fundações não ocorreu ruptura do solo e nem instabilidade das mesmas até a aplicação da carga máxima. 6. ECONOMIA NAS FUNDAÇÕES DAS TORRES ESTAIADAS 6.1 Fundações dos estais Neste item são feitas comparações entre o bloco de concreto tronco cônico e o bloco de concreto prismático, moldados "in loco", executados em solo fraco e seco, nas fundações dos estais. As planilhas de quantidade das fundações dos estais (blocos tronco cônico e prismático) das torres tipos ES4 e ER4 encontram-se nas Tabelas 2 e 3, respectivamente. Pode-se observar, através destas planilhas de quantidade, uma significativa redução nos volumes de escavação e de reaterro do bloco tronco cônico em relação ao bloco prismático, contribuindo de maneira decisiva para a economia da fundação. Na fundação da torre ES4, tem-se uma redução de 49% no volume de escavação, bem como de 59% no volume de reaterro. Na fundação da torre ER4, tem-se uma redução de 56% no volume de escavação e de 63% no volume de reaterro. A CESP obteve em média nas duas linhas de transmissão de 460 kv de Porto Primavera-Taquaruçu (circuitos 1 e 2) uma economia de 14% nas fundações dos estais de cada torre ES4, por ter utilizado o bloco de concreto tronco cônico em substituição ao bloco prismático. Nas fundações dos estais da torre ER4 a economia foi de 22%.

4 4 6.2 do mastro central A seguir são feitas comparações entre o tubulão e a sapata apoiada em solo regenerado com cimento, moldados "in loco", executados em solo fraco e seco, na fundação do mastro central. As planilhas de quantidade das fundações do mastro central (tubulão e sapata) das torres tipos ES4 e ER4 estão apresentadas nas Tabelas 4 e 5, respectivamente. Através destas planilhas de quantidade, nota-se uma significativa redução de 72% no volume de escavação do tubulão em relação ao da sapata, nas torres ES4 e ER4, contribuindo decisivamente para a economia da fundação. Apesar de o tubulão apresentar maior volume de concreto que a sapata, a sua fundação não necessita de regeneração e nem de reaterro do solo. Nas duas linhas de Porto Primavera-Taquaruçu (circuitos 1 e 2), a CESP obteve em média uma economia de % na fundação do mastro central de cada torre ES4, com a execução do tubulão em substituição à sapata. Na fundação do mastro central da torre ER4 a economia foi de 31%. 7. CONSIDERAÇÕES FINAIS Convém ressaltar que existem outras tecnologias para a execução de fundações de torres estaiadas, ou seja, sistemas de ancoragem com hastes helicoidais, tirantes e microestacas injetadas. A fundação mais adequada do ponto de vista técnico e econômico requer a análise dos seguintes dados: - Projetos de locação das torres (perfis da linha); - Esforços atuantes nas fundações; - Investigação do subsolo (sondagem); - Problemas e dificuldades encontrados no campo; - Condições de acesso às fundações; - Custos das fundações alternativas. 8. CONCLUSÕES - A utilização do bloco tronco cônico, em substituição ao convencional bloco prismático, em solo fraco e seco, permitiu à CESP obter em média nas duas linhas de transmissão de 460 kv de Porto Primavera-Taquaruçu (circuitos 1 e 2) uma economia de 14% nas fundações dos estais de cada torre ES4. Nas fundações dos estais da torre ER4 a economia foi de 22%. - Com a utilização do tubulão, em substituição à convencional sapata, em solo fraco e seco, a CESP obteve em média nas duas linhas de Porto Primavera- Taquaruçu uma economia de % na fundação do mastro central de cada torre ES4. Na fundação do mastro central da torre ER4 a economia foi de 31%. 9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] ASHCAR, R. et alii - Ensaios de carregamento em protótipos de fundações de torres estaiadas para a LT 460 kv Jupiá-Taquaruçu. In: Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica (SNPTEE), 10 o, Curitiba, outubro, AGRADECIMENTOS Aos colegas da Divisão de Manutenção de Linhas de Transmissão, pelo constante estímulo e apoio no desenvolvimento deste trabalho. TABELA 1 ESFORÇOS MÁXIMOS NAS FUNDAÇÕES DAS TORRES ESTAIADAS Torre Tipo Direção do Estai Componente Vertical do Estai Estais Mastros 1 e 2 Vertical Transversal Componente Horizontal do Estai Ângulo do Estai com a Vertical ( graus ) Longitudinal V1 V2 T1 T2 L1 L2 ES4 28,4 22,8 16,9 36,6 37,2 33,8 7,1 6,4 0,5 1,0 ER4 33,3 28,5 17,2 31,1 47,4 41,4 6,9 5,8 0,5 1,1 Nota : 1 tf = 9,8 kn

5 5 TABELA 2 PLANILHA DE QUANTIDADE : FUNDAÇÃO PARA 1 ESTAI TORRE TIPO ES4 Bloco de Tronco Cônico Bloco de Prismático Tronco Cônico / Prismático Haste-Âncora ( ml ) 4,05 2,70 1, ,90 6,66 1, ,51 0,41 1,09 0,85 1,12 TABELA 3 PLANILHA DE QUANTIDADE : FUNDAÇÃO PARA 1 ESTAI TORRE TIPO ER4 Bloco de Tronco Cônico Bloco de Prismático Tronco Cônico / Prismático Haste-Âncora ( ml ) 4,51 3,16 1, ,17 8,52 1, ,44 0,37 0,82 0,85 1,25 TABELA 4 PLANILHA DE QUANTIDADE : FUNDAÇÃO PARA 1 MASTRO TORRE TIPO ES4 Regeneração do Solo com Cimento e Lastro Tubulão 3,75 3,88 69 Sapata 13,70 4,65 7,41 1,75 80 Tubulão / Sapata 0,27 2,22 0,86 TABELA 5 PLANILHA DE QUANTIDADE : FUNDAÇÃO PARA 1 MASTRO TORRE TIPO ER4 Regeneração do Solo com Cimento e Lastro Tubulão 5,05 5,17 80 Sapata 17,76 6,39 9,10 2,43 98 Tubulão / Sapata 0,28 2,13 0,82

6 REATERRO COMPACTADO 100 TUBO PVC 100 mm REATERRO COMPACTADO TUBO PVC 100 mm PREENCHIMENTO COM PASTA DE CIMENTO 350 (ES4) 400 (ER4) VARIÁVEL 0 VARIÁVEL BARRA DE AÇO PREENCHIMENTO COM PASTA DE CIMENTO 6 BARRA DE AÇO 71 1 x 190 (ES4) 150 x 220 (ER4) 170 (1 b) - BLOCO DE CONCRETO PRISMÁTICO (MOLDADO "IN LOCO") (1 a) - BLOCO DE CONCRETO TRONCO CÔNICO (MOLDADO "IN LOCO") DIMENSÕES EM CENTÍMETRO. FIGURA 1 - FUNDAÇÕES DOS ESTAIS

7 100 x 80 REATERRO 120 x 50 (ES4) 140 x 70 (ER4) (ES4) 80 (ER4) SOLO REGENERADO COM CIMENTO 250 x 170 (ES4) 270 x 200 (ER4) 55 (ES4) 60 (ER4) (ES4) 140 (ER4) 340 x 260 (ES4) 370 x 0 (ER4) 200 (ES4) 2 (ER4) (2 b) - SAPATA APOIADA EM SOLO REGENERADO COM CIMENTO (MOLDADA "IN LOCO") (2 a) - TUBULÃO DIMENSÕES EM CENTÍMETRO. FIGURA 2 - FUNDAÇÕES DO MASTRO CENTRAL