VERIFICAÇÃO DA PERFORMANCE ESTRUTURAL DE TORRES METÁLICAS ANTIGAS

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1 FL / GLT / 03 BELÉM PA / BRASIL / 1997 GRUPO III LINHAS DE TRANSMISSÃO ( GLT ) VERIFICAÇÃO DA PERFORMANCE ESTRUTURAL DE TORRES METÁLICAS ANTIGAS Roberval Luna da Silva (*) Antonio Pessoa Neto CHESF - Companhia Hidro Elétrica do São CHESF - Companhia Hidro Elétrica do São Francisco Francisco (*) - Força-tarefa Recuperação de linhas existentes. Cigré Brasil. GT-08 Estruturas RESUMO O informe trata da verificação de performance mecânica das estruturas antigas, com o objetivo de difundir o uso da metodologia probabilística como um recurso valioso de projeto. É estabelecido um paralelo entre os critérios adotados no projeto original, e a prática atual de dimensionamento dos suportes estruturais. As folgas e as deficiências encontradas, são analisadas dentro da visão probabilística, indicada na proposta de revisão da IEC-826, e traduzida na forma de fatores de uso, índices de segurança, probabilidade de falha, etc. Os dados subjetivos coletados durante a vistoria de campo, expressando o estado de deterioração dos componentes da linha, são discutidos segundo o modelo de diagnóstico fuzzy de avaliação da segurança e confiabilidade das estruturas existentes. PALAVRAS-CHAVE Linha de transmissão - estrutura de transmissão - rejuvenescimento INTRODUÇÃO aos pára-raios tradicionais. Quase sempre o upgrade ou uprate de linhas está associado à solicitações mecânicas e riscos mais elevados. Uma das formas para avaliar, se a capacidade remanescente da resistência de uma determinada estrutura, atende aos novos requisitos de projeto, é realizar ensaios de carregamento no próprio campo ou numa estação de testes. Por razões de ordem prática-econômica, ou mesmo implicações do tipo interrupção do suprimento de energia, as verificações experimentais nem sempre são possíveis. Independentemente deste fato, técnicas analíticas vem sendo desenvolvidas, no sentido de avaliar teoricamente as condições dos suportes estruturais antes e após a ação das intempéries. O principal problema é quantificar aproximadamente a vida útil remanescente de cada componente da linha. Para discutir o uso prático de tais procedimentos, especialmente aqueles de cunho probabilístico, uma linha de transmissão 230 KV construída com estruturas metálicas treliçadas, fabricadas há cerca de 45 anos foi escolhida como exemplo PROJETO ORIGINAL DA LINHA. A verificação da condição atual de suporte, das torres já implantadas nas linhas existentes, vem se tornando muito freqüente. Nos países mais desenvolvidos, com sistemas de transmissão muito antigos, esta necessidade surge dos programas de rejuvenescimento e modernização dos circuitos em funcionamento, por obsoletismo tecnológico, cuja expansão é agravada por restrições ambientais à criação de novos corredores. De um modo geral no Brasil, estas restrições ainda são pequenas, porém muitas linhas estão sendo recapacitadas, para atenderem ao aumento da demanda ou modificadas pela inclusão de cabos de fibra ótica em substituição A obra escolhida foi energizada em 1953, como principal eixo do suprimento de energia elétrica para o estado de Sergipe, a partir do complexo de Paulo Afonso ( 1 ). Na maioria das linhas muito antigas, qualquer tarefa de avaliação desta natureza, é dificultada pela inexistência ou desatualização dos documentos que

2 contemplam as características do projeto em análise, e os procedimentos adotados na época da construção. Os dados de projeto da obra em apreço, são suficientes para subsidiar os estudos. Entretanto, há uma deficiência quanto ao histórico de operação e manutenção. Os registros durante a vida produtiva trazem informações à partir de A extensão total desta linha, de circuito simples, em configuração horizontal, é de 162,34 Km. Possui 14 deflexões, um cabo condutor por fase ACSR 636 MCM 26/7 Grosbeak e dois pára-raios 3/8 HS-7 fios. Os condutores foram projetados com uma tensão máxima de esticamento de 3600 dan a 5 0 C, e os páraraios com 1800 dan a 5 0 C. A velocidade do vento é associada à temperatura mínima que pode ocorrer na região da obra. O vão básico de projeto é de 305,00 m, correspondendo a uma tensão de 2687 dan, e uma distância mínima fase-terra na estrutura de 1,45 m - pressão de vento 48,80 dan/m 2 ou 2,70 m - pressão de vento 14,40 dan/m 2. A torre predominante foi originalmente dimensionada, para um vão máximo de 600 m - deflexão nula, e 500 m - angulo 2 0, com vento máximo de 122 dan/m 2 aplicado sobre duas vezes a área projetada de uma face. Quatro hipóteses de cálculo foram consideradas nas estruturas de suspensão ( ver Tabela 1 ) : Hipótese I - Pára-raios e condutores intactos ( vento máximo - sem coeficiente de segurança ) ; Hipótese II - Pára-raios e condutores intactos ( vento máximo - coeficiente de segurança 1,25 ) ; Hipótese III - Um pára-raios rompido e condutores intactos ( coeficiente de segurança 1,25 ) ; Hipótese IV - Um condutor rompido e pára-raios intactos ( coeficiente de segurança 1,25 ). TABELA 1 Hipóteses de cálculo do projeto original Estão montadas 400 estruturas metálicas treliçadas de fabricação americana, sendo 382 torres de suspensãotipo A e AS, 16 ancoragens em ângulo-tipo B e C e 2 torres fim de linha-tipo C. As fundações são em grelhas metálicas de montante único, com dimensões muito reduzidas. A modelagem de cálculo das torres, foi feita pelo tradicional sistema tração, onde procura-se visualizar o percurso das cargas externas através de painéis isostáticos. Este processo produz suportes muito leves, com montantes rígidos e um treliçamento de pequena densidade. Estruturalmente, admitiu-se dois níveis de solicitação dos materiais: Condição A - Para a hipótese normal, sem coeficiente de segurança. Resistência de cálculo dos perfis à tração 1687 dan/cm 2. Cortante nos parafusos 1476 dan/cm 2 e esmagamento 2953 dan/cm 2. Condição B - Para as demais hipóteses, com um coeficiente de segurança 1,25. Resistência de cálculo dos perfis à tração 2109 dan/cm 2. Cortante nos parafusos 1820 dan/cm 2 e esmagamento 3656 dan/cm 2. As torres são fabricadas com perfis de aço carbono tipo O.H. - steel especificação ASTM A-7 / galvanização ASTM A , e parafusos de cabeça quadrada de diâmetro único igual a 5/8 ASTM A / galvanização ASTM A As barras com uma seção mínima L1 3/4 x 1 3/4 x 1/8, foram dimensionados deterministicamente pelo processo das tensões admissíveis. Para efeito de estudo, as estruturas da linha foram classificadas segundo as suas características de altura, vão de vento, vão de peso, condições de subsolo, condições de deterioração, etc. Uma torre representativa de cada categoria foi selecionada para análise ATUALIZAÇÃO DO PROJETO ORIGINAL. Vamos considerar, apenas o caso da torre-347 do tipo A-94, vão de vento V v = 609,10 m e vão de peso V p = 564,19 m, com um grau de deterioração elevado, como sendo aquela representativa das suspensões em alinhamento - categoria I. Os parâmetros elétricos e as distâncias de segurança são os mesmos do projeto original. O enfoque será dado apenas quanto aos aspectos mecânicos da questão. Sob este ângulo do problema, dois procedimentos de atualização podem ser utilizados. O primeiro, é estabelecer gráficos de aplicação vão de vento-v v e vão de peso-v p, para as novas condições do projeto ( cabo de maior diâmetro, condições regionais de vento diferentes,...), de maneira que as cargas nas estruturas, conforme especificadas anteriormente, não sejam superadas. As eventuais extrapolações serão corrigidas adotando soluções do tipo inserção ou substituição de torres, procurando supostamente manter o mesmo risco do projeto original. T máx - 2. H. Sen ( 0,50. ) V máx - p c V v = e V p = [1] p v. d p T máx - esforço máximo transversal especificado no projeto original ( dan ) ; H - tração no cabo considerado ( dan ) ; - ângulo de deflexão ( graus ) da linha ; d - diâmetro do cabo ( m ) ; V máx. - esforço máximo vertical ( dan ) especificado ; p c - peso da cadeia ( dan ) ; p - peso unitário do cabo ( dan/m). O segundo caminho, é adotar critérios de projeto mais realistas, e estimar a performance das torres para condições atualizadas de carregamento. A determinação dos esforços pela da NBR-5422 ( 2 ), apresenta substanciais diferenças com os procedimentos mais tradicionais. As formulações usadas adotam conceitos probabilísticos, apenas no

3 que diz respeito as solicitações. A velocidade básica do vento-v b a ser adotada no projeto dos cabos, cadeias e estruturas, referida a uma altura de 10 m e um intervalo de tempo 10 minutos, é função dos dados climáticos de cada região. Esta velocidade é associada a parâmetros básicos, que dependem das características da obra : período de retorno-t, período de integração-t, altura média de atuação do vento-h e rugosidade da região-kr. Um fator de correção-k d é aplicado para calcular a velocidade final de projeto. A pressão dinâmica de referencia, é finalmente obtida para determinar as ações pontuais do vento. O efeito desse vento nas torres, é calculado decompondo as estruturas em painéis de comprimento inferior a 10,0m, e aplicando as cargas no centro de gravidade de cada painel. As solicitações-s isoladas, assim obtidas, já multiplicadas por respectivos fatores de ponderação, são combinadas para formar as hipóteses de cálculo. Tendo em vista as facilidades, criadas pelo uso dos computadores e os modernos programas de análise estrutural, um maior número de hipóteses de carga é hoje considerado. A modelagem das torres pelo sistema tração, está praticamente fora de uso. No mínimo as estruturas são calculadas como uma treliça espacial tração x compressão, usando o método dos deslocamentos ( análise elástica linear de primeira ordem ). A norma mais utilizada no Brasil, para o dimensionamento das barras ( 3 ), adota o método das tensões admissíveis, onde os coeficientes de ponderação são aplicados sobre as ações. A seleção dos perfis é feita, comparando a solicitação máxima atuante com a resistência nominal da barra. Os critérios atuais de dimensionamento dos perfilados são mais ousados. As curvas de flambagem são mais corretas, e maiores taxas de trabalho vem sendo recomendadas. A arte de detalhamento, evoluiu no sentido de reduzir as imperfeições que produzem efeitos de segunda ordem. Maior economia foi encontrada, comparando as cargas calculadas pela NBR-5422, indicadas entre parênteses, com os esforços originais do projeto ( ver Figura1) (1500) (500) 376 (330) (330) 753 (500) 923 (815) (815) (815) 2 x (1500) pp x 1,25 ( 2 x 90 ) ( pp x 1,10 ) * cargas pontuais em dan * vento dan\m 2 FIGURA 1 Hipótese II - vento máximo transversal (1500) A NBR-5422 ainda não assimilou as últimas recomendações do IEC-826 ( 4 ). Estas sugestões introduzem o conceito de um sistema, sujeito a uma seqüência de falha. Nas estruturas de suspensão, esta seqüência, partindo do elo mais fraco para o mais forte, seria : torre-fundação-isoladores-cabos. Outra proposta é substituir o método das tensões admissíveis pelo processo dos estados-limites. Procura-se assegurar, que a capacidade portante do elemento no estado limite último ( limite dano ou falha ), não seja alcançada, bem como o atendimento das exigências de funcionalidade não seja prejudicado ( limite de utilização ). Tanto a solicitação-s quanto a resistência- R dos materiais, recebem tratamento probabilístico, e são previamente multiplicadas por coeficientes de majoração e minoração. A equação básica é : S x U R x R. O coeficiente U de carga última efetiva, foi introduzido para considerar que os elementos não são individualmente projetados para cada vão. Na LT 230 KV Paulo Afonso-Itabaiana 70% dos vãos reais estão abaixo de 450 m. O coeficiente R é um produto de coeficientes parciais, independentes entre si ( N, S, Q, C e L ), que pretendem expressar a influência das principais variáveis sobre a resistência-r dos materiais : N - número de componentes submetidos ao carregamento crítico ; S - coordenação de resistência entre os componentes, na seqüência de falha preestabelecida ; C - diferença entre o limite real de exclusão, e o limite superior e = 10 % da resistência característica R C do componente ; L - eventual diferença entre as características de resistência conhecidas ou determinadas, em relação ao limite de dano ou falha do sistema ; Q - qualidade de fabricação e/ou construção.

4 4.0 - RISCO DE FALHA DAS TORRES NAS CONDIÇÕES ORIGINAIS DO PROJETO. A confiabilidade de uma estrutura nova, depende somente de informações objetivas que podem ser tratadas pela teoria das probabilidades. O risco probabilístico de falha p f-(linha) de uma linha de transmissão, considerando que a velocidade do vento de projeto-v p, calculada em função de um período de retorno-t, seja superada pelo menos uma vez ao longo da sua vida útil de N - anos, é dada pela fórmula : p f-(linha) = 1 - ( 1-1/T ) N [2 ] Dentro do conceito de sistema, este risco de falha depende do desempenho funcional dos componentes ( torre, fundação, isoladores, cabos... ) individuais-i, considerados probabilisticamente independentes. i p f-(linha) = 1 - p s-(linha) = 1 - ( 1 - p f-i ) [3] 1 p s-(linha) - probabilidade de sucesso da linha ; p f-i - probabilidade de falha do componente-i ; - produtório. Nos interessa obter o risco de falha p f-(torre original) da estrutura. Para isto, é necessário calcular os esforços nas barras que constituem o seu treliçamento. A torre A-94 foi mapeada em grupos ( montante, perna, quadro horizontal, delta, gambieta, viga, mísula, suporte de pára-raios... ) de perfilados, identificados conforme a nomenclatura usual de cálculo-ncl : indicador de classe-n, número da barra-c e localização da mesma-l. Determinou-se as cargas em cada grupo, para as diversas situações do projeto, e os resultados foram traduzidos na forma de solicitação média-s e desvio padrão- S. A experiência brasileira com ensaios de carregamento, indica que 90% das barras falham por compressão, dentre elas, o percentual mais elevado de falhas ocorre nos montantes estruturais. O montante F6 da estrutura n 0 347, com uma solicitação média de S= dan e um desvio padrão S =3.098 dan, foi considerado o elemento mais crítico. Admitindo que a lei de variação da resistência deste elemento, obedece a uma curva de Gauss ( resistência média R= dan e desvio padrão R =6.764 dan ), podemos estimar o índice de falha- : = 1 - ( 0, ,4162 ) = 0,0838 = 10-1,08 [6] S = dan R = dan S = dan R = dan FIGURA 2 Índice de falha da torre-347 nas condições originais do projeto. Esta probabilidade de falha, do grupo de perfil mais crítico, representará a probabilidade de falha da estrutura-347, nas condições originais do projeto: p f- ncl = p f-(torre original). O processo poderá ser repetido para as diversas categorias de torres da linha, de modo a compor uma probabilidade de falha global, pelo produtório dos valores individuais encontrados RISCO DE FALHA DAS TORRES NAS CONDIÇÕES ATUAIS. A LT 230 KV Paulo Afonso-Itabaiana C1 tem 43 anos de idade. Ocorreu o vento de projeto, durante este tempo de vida? Foi este vento atuante, suficiente para provocar danos estruturais? Foram as avarias ocorridas, registradas e corrigidas? Qual a resistência atual dos componentes metálicos? Como tratar as informações subjetivas, fornecidas por inspetores? Qual a o risco atual de falha das estruturas, sob o ponto de vista mecânico? Como estimar a vida remanescente da linha, para efeito de recapacitação? Estas são algumas questões que a Engenharia procura responder. Utilizando a teoria probabilística, é possível concluir que há uma escala crescente ( ver Figura 3 ) do risco, com a idade das instalações, definida pela interseção das curvas estatísticas : solicitação-s x resistência-r. Z = R - S [4] R - S = = 1,38 [5] 2 2 R + S Com o auxílio da tabela de Gauss, obtemos a probabilidade de falha anual do grupo p f-ncl = p f-f6 : p f-f6 = 1 - ( ) = 1 - ( 1,38 ) = FIGURA 3 Evolução do risco de falha.

5 Os dados da rede meteorológica da região Nordeste, não permitem afirmar que o vento de projeto ocorreu. O histórico das falhas, é deficiente ou incompleto. Podemos estimar a resistência média-r e o seu respectivo desvio padrão- R, retirando amostras de perfis da torre, para ensaios em laboratório. Entretanto, a resistência global de uma estrutura depende da integração de vários fatores ( técnicas de projeto, técnicas de detalhamento, procedimentos de montagem, etc. ). Como parte de um esforço, para diagnosticar as perspectivas de recuperação desta linha de transmissão com mais de 40 anos de vida, um programa de trabalho foi estabelecido. Dentro deste programa, uma inspeção visual foi conduzida, torre a torre, registrando o estado de dano de cada perfil. As principais ocorrências, observados durante o programa de inspeção, estão relacionadas com a corrosão e a deformação de barras importantes da estrutura. Porém, outros defeitos foram registrados. O detalhamento das treliças contempla algumas imperfeições, hoje abolidas. Elementos primários de formação do treliçamento, são aparafusados por uma única aba. Os montantes principais não possuem cobrejuntas. Constatou-se muitos perfis folgados ; 1232 barras inexistentes, em decorrência de vibrações ou atos de vandalismo ; parafusos com sobra de rosca deficiente ; distâncias de furos a borda, fora dos padrões atuais, etc. Ao longo da faixa de servidão não existem focos de poluição importantes, sendo ambientes tipicamente rurais. Apesar disto, a corrosão é a principal causa do envelhecimento das torres. As peças foram classificadas, quanto ao estado geral em recuperáveis e irrecuperáveis, conforme critérios de inspeção estabelecidas antecipadamente. Cerca de peças foram enquadradas no primeiro grupo de recuperáveis, e 638 barras não tem condições mínimas de recuperação. É grande a quantidade de parafusos pedarol corroídos. Aproximadamente 7 % das posições enferrujadas estão na parte inferior das torres, e 93 % na parte superior comum. A espessura da camada de zinco foi medida em pontos esporádicos. Dezoito fundações, em terrenos aparentemente agressivos, foram escavadas em trincheira, desde a base até a zona de afloramento no terreno. As deformações atingem, principalmente as diagonais formadoras dos pés, conhecidas como pernas. Enquanto os montantes principais são robustos, estas diagonais internas flambam facilmente, sob pequenas cargas de compressão. Ainda em conseqüência do modelo de cálculo tração, as fundações reduzidas de montante único são susceptíveis a recalques, constituindo o elo fraco da corrente. Com estas características, quaisquer violações das hipóteses de projeto, podem produzir a flambagem da perna, com reflexos no treliçamento a ela associado. Todo inventário de campo produz uma massa de informações subjetivas (corrosão no montante principal, deformação da perna, etc. ). De modo que, a confiabilidade das estruturas antigas depende tanto dos fatores objetivos ( crisp ), quanto dos fatores subjetivos ( fuzzy ) deste inventário. As informações subjetivas, não podem ser tratadas pela teoria das probabilidades. A metodologia incluída no programa de trabalho, para tratar a subjetividade de campo, está baseada no modelo desenvolvido pela Ontário Hydro ( 5 ), cuja aplicação permite estimar numericamente, a perda de confiabilidade estrutural, nas condições atuais de deterioração, encontradas durante a inspeção. Nesta metodologia, os especialistas pontuam a gravidade e o efeito de cada fator subjetivo do inventário, utilizando expressões lingüisticas que expressam a sua importância ( pequena gravidade, grande gravidade... ) e as conseqüências possíveis ( efeito pequeno, efeito grande... ). Esta escala de pontuação linguisticamente estabelecida, é representada por uma função numérica, que engloba os multivalores ( fuzzy set ) assumidos por cada fator. A interação individual gravidade versus efeito de cada fator, é obtido pela solução da matriz interseção. A influência geral do somatório- das interseções individuais gravidade versus efeito, de todos os fatores subjetivos, é encontrado pela matriz união. Conhecendo a influência do somatório- dos fatores individuais, sobre a confiabilidade das torres, é possível reduzir o coeficiente-n na expressão da confiabilidade : p f-(torre original) = 10 - N [7] p f-(torre antiga) = 10 - (N- ) [8] ( N - ) - resíduo da confiabililidade ou aumento da probabilidade de falha. Este modelo de diagnóstico, exige a utilização de ferramentas analíticas, de sistemas inteligentes do tipo rede neural CONCLUSÕES. Muitas linhas que estão sendo recapacitadas no Brasil ou modificadas para a inclusão de cabos pára-raios de fibra ótica, são relativamente antigas. Na maioria delas, o histórico de manutenção não é conhecido, ou o cadastro de acidentes está incompleto. Algumas, não tem condições físicas para atenderem ao aumento das solicitações, sem uma restauração prévia. Outras terão o seu risco falha agravado. Numa linha antiga, muitos questionamentos são feitos, quer sob o ponto de vista elétrico ou mecânico. Sob o ponto de vista mecânico, a performance das estruturas, não pode ser vista apenas pelo lado das condições originais do projeto. Uma nova variável deve ser incorporada, ao processo de estabelecimento dos cenários de expansão dos sistemas de transmissão. Conhecendo a

6 expectativa de vida das linhas, torna-se possível incluir esta condicionante na tomada de decisão. A metodologia aqui incluída, por sua vez baseada na experiência internacional, e na incorporação das ferramentas probabilísticas aos processos atuais de projeto, segue o seguinte roteiro : Classificar as estruturas, segundo as suas características de tipo, altura, vão de vento, vão de peso, ângulo, condições das fundações, terreno de apoio, estado de deterioração, cargas aplicadas, etc. Escolher a torre mais representativa, de cada classe de estrutura, sob o ponto de vista do risco de falha mecânica. Atualizar as cargas, na torre representativa de cada classe estrutural, obedecendo as normas e procedimentos atuais. ( 3 ) ASCE - American Society of Civil Engineers. Guide for design of steel transmission towers. EUA ( 4 ) CIGRE STUDY COMMITTEE 22 OVERHEAD LINES. Improved design criteria of overhead transmission lines on reliability concepts ( 1995 ). França. ( 5 ) HATHOUT, I. Safety and reliability evaluation of existing transmission lines using fuzzy set theory ( 1992 ). Canadá. Calcular as solicitações atuantes, em cada grupo de perfil-ncl da torre mais representativa, para as diversas hipóteses de carga devidamente atualizadas. Obter a curva estatística das solicitações-s ( solicitação média-s e o desvio padrão- S ), para cada grupo de perfil da torres mais representativa. Obter a curva estatística das resistências-r ( resistência média-r e desvio padrão- R ), para cada grupo de perfil da torre mais representativa. Calcular a probabilidade de falha-p f-ncl, de cada grupo de perfil, pelo processo do índice de falha (ou preferencialmente pelo método da probabilidade de falha ) ; Escolher o grupo de perfil mais crítico, cujo índice de falha-, representará probabilidade de falha da torre - pf torre, nas condições originais do projeto. Compor a probabilidade de falha global da linha, pelo produtório dos valores individuais de cada categoria de torre ; Proceder a vistoria da linha, classificando subjetivamente cada grupo de perfil, de acordo com o guia de inspeção previamente estabelecido ; Quantificar aproximadamente a redução da confiabilidade, utilizando o processo de diagnóstico fuzzy ; Estabelecer o tempo de vida remanescente da estrutura pelo resíduo ( N - ) da confiabilidade encontrada BIBLIOGRAFIA ( 1 ) DA SILVA, R. L. e NETO, A. P. Diagnóstico e perspectivas de recuperação de uma linha de transmissão 230 KV com mais de 40 anos de vida. V SEMEL-Seminário de materiais do setor elétrico ( 1996). Brasil. ( 2 ) ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR Projeto de linhas aéreas de transmissão de energia elétrica ( 1985 ). Brasil.