ESTACAS METÁLICAS HELICOIDAIS COMO ELEMENTOS DE FUNDAÇÃO PARA TORRES DE LINHA DE TRANSMISSÃO

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1 GLT/ a 26 de Outubro de 2001 Campinas - São Paulo - Brasil GRUPO III GRUPO DE ESTUDO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO ESTACAS METÁLICAS HELICOIDAIS COMO ELEMENTOS DE FUNDAÇÃO PARA TORRES DE LINHA DE TRANSMISSÃO CARLOS ALBERTO SILVA FLÕRES FRANCISCO GRIS LIBERATO MARCOLINO CIA. DE ELETRICIDADE DO RIO DE JANEIRO - CERJ ROBERTO DOLABELLA DE ABREU DUARTE JOSÉ INÁCIO GOMES VÉRTICE ENGENHARIA LTDA. RESUMO O objetivo deste trabalho é apresentar a solução técnica utilizada pela CERJ, nas fundações da LT ABADIA/SANTA CLARA 69 kv ( estacas metálicas helicoidais ), destacando os principais problemas encontrados, bem como os resultados obtidos com a adoção desta tecnologia. PALAVRAS-CHAVE: Estacas, fundações, helicoidais 1.0 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DA LT A LT ABADIA/SANTA CLARA possui as seguintes características: - Tensão: 69 Kv; - Circuito Simples; - Extensão: 26 km; - Vão médio: 400 m; - Utilizadas 71 torres metálicas, com a seguinte distribuição: 04 CF (25m/ancoragem até 60º/terminal 1 circuito); 02 FA (20m/ ancoragem até 60º/terminal 1 circuito); 07 SA (26m/ancoragem até 15º - 1 circuito); 54 S2 (26m/suspensão em alinhamento 1 circuito); 03 A (26m/ancoragem até 45º/terminal 2 circuitos); 01 D (26m/ancoragem até 15º - 2 circuitos). - Cabo condutor: 266,8 MCM-CAA (Partridge); - Cabo pára-raios: 5/16 HS aço galvanizado; - Traçado: desenvolve-se ao longo de uma região de planície, com características geológicas típicas de bacia sedimentar. 2.0 CARACTERÍSTICAS DO SOLO Foram realizadas sondagens à percussão em todas as torres da LT, cujos resultados revelaram um solo típico de aluvião, com a presença de uma camada de argila plástica orgânica, confirmando as estimativas iniciais da CERJ, que previam fundações especiais para todas as torres da LT. 3.0 OPÇÕES DE FUNDAÇÕES ESPECIAIS Considerando o resultado da sondagem analisou-se as seguintes opções de fundações especiais: 3.1 Sapatas ou tubulões em concreto armado Seriam inviáveis nos casos onde o NA estivesse elevado ou aflorada a camada de argila orgânica. Nos demais casos o maior problema seria o prazo de execução, já que esta soluções implicam em grandes volumes de concreto moldados na obra. 3.2 Estacas em perfis metálicos I 10 Esta era a solução prevista inicialmente no contrato, e constitui-se na solução mais adotada pela CERJ em situações análogas. Entretanto, impedimentos jurídicos ligados à liberação da faixa de domínio da LT, reduziram sensivelmente o tempo disponível para a construção das fundações, tendo em vista o prazo limite para a energização da obra. Isto implicava na obrigatoriedade em se mobilizar vários bate-estacas e equipes de concretagem simultaneamente, e ainda assim a dificuldade de coordenação de tantas frentes de trabalho poderia comprometer a conclusão de todas as fundações a tempo. 3.3 Estacas metálicas helicoidais Carlos Alberto Silva Flôres Engenheiro do Departamento de Projetos de Engenharia da CERJ Endereço: Praça Leoni Ramos, 1, 6º andar, bloco 2, São Domingos Niterói/RJ CEP Tel FAX cflores@cerj.com.br

2 2 Este método foi sugerido pela EGEL, empresa contratada pela CERJ para a construção da LT, e oferecia as seguintes vantagens em relação ao sistema de estaqueamento convencional: - Facilidades na mobilização e deslocamento do equipamento de cravação; - Redução no tempo de execução do estaqueamento; - Possibilidade de montagem das torres logo após a conclusão do estaqueamento; - Redução nos custos das fundações, em relação à previsão original do contrato. 4.0 CONSIDERAÇÕES ESPECÍFICAS SOBRE O MÉTODO Com o interesse despertado pela vantagens acima relacionadas, a CERJ solicitou da EGEL maiores informações sobre o método, quando então foi apresentada a empresa VÈRTICE ENGENHARIA LTDA., empresa que seria responsável pelo projeto e execução das fundações da LT. A VÉRTICE promoveu palestras com o objetivo de esclarecer o método, onde foi apresentado o material técnico que resumimos a seguir. 4.1 Produtividade elevada na execução de fundações e ancoragens Comparado aos tradicionais métodos, as Estacas Metálicas Helicoidais oferecem inúmeras vantagens como economia de material, equipamentos e tempo de execução. Com este sistema é possível executar de uma a duas fundações de torre auto-portante por equipe/dia. É necessário apenas um equipamento com um sistema hidráulico para prover o torque e a rotação adequados, adaptadores e indicador de torque (torquímetro). Equipamento para instalação de uso comum (retroescavadeiras, escavadeiras, caminhão com guindauto, etc...), utilização de pouca mão de obra (03 homens por equipe), rapidez de execução, resultados previsíveis, montagem da torre imediatamente após a execução da fundação, não agressivo ao meio ambiente, independente das condições climáticas, sem escavações ou retirada de resíduos de material ou solo, etc.., são algumas das vantagens do Sistema Vértice de Estacas Helicoidais. As fundações helicoidais podem ser instaladas em qualquer tipo de terreno, incluindo taludes, pântanos, terrenos alagados, terrenos arenosos ou argilosos. 4.2 Projetadas para ter adaptabilidade Simplicidade de projeto é uma das grandes vantagens do Sistema Vértice de Fundações e Ancoragens. O elemento básico da fundação ou âncora consiste numa seção guia com múltiplas hélices projetada para resistir a um específico torque de instalação. Seções de extensão podem ser adicionadas e tem a função de levar a seção guia à profundidade necessária. Mais de 35 anos de pesquisas, engenharia, desenvolvimento de produtos e testes, resultaram no aperfeiçoamento e amadurecimento na arte de execução de fundações e ancoragens com hastes helicoidais. Dimensões e peso não são mais condições críticas para a confiabilidade do sistema. As fundações são projetadas para suportar o estress de torção, flambagem e esforços laterais. O aço de alta resistência da hélices distribui as forças de tração e compressão. A seção circular das fundações transfere para o solo os esforços laterais, flambagem e torção. Os parâmetros do solo requeridos são disponíveis nas sondagens SPT (Standard Penetration Test), tais como tipo de solo, resistência (número de golpes), nível do lençol freático, etc.. Com estes parâmetros bem como as cargas incidentes nas fundações é possível escolher a fundação e a ancoragem correta. Quando se encontra construções que demandam baixo ruído de instalação, controle das vibrações, mínima remoção de solo ou nível d água associado à escavação, o Sistema Vértice é o indicado. 4.3 Configuração das hélices - Hélices são pratos de aço amoldados helicoidais com espessura de 10 mm (3/8 ) ou 13 mm (1/2 ); - A seção guia, ou primeira seção instalada no solo, contém as hélices; - O espaçamento entre as hélices é de tres vezes o diâmetro da menor hélice; - Hélices podem ser adicionadas às seções de extensão se necessário; - Extensões com hélices podem ser instaladas imediatamente após a seção guia. Podemos aumentar a capacidade de carga de uma Âncora ou Fundação de três maneiras: - Aumento do diâmetro das hélices; - Aumento do número de hélices; - Instalação em solo melhor (mais profundo). 4.4 Tipos de fundações helicoidais As fundações helicoidais podem ser de dois tipos: - Estacas: Tubos de diâmetro 4 e 8. São indicadas como fundação de mastro central de torre estaiada, fundação de torre auto-portante ou fundação de estai. - Tirantes: barras quadradas maciças de 1 ½ a 2,25. TABELA 1: Características mecânicas nominais da âncora helicoidal Diâmetro da haste Tubo de aço de parede grossa Capacidade de torque máximo Capacidade de carga última por hélice (tração ou compressão) 101,6 mm kn

3 3 Capacidade última para fundações com carga axial 450 kn Capacidade última para fundações com carga axial 315 kn 900 kn Estaca ou fundação em tubo 4 É composta de uma seção guia com 10,16 cm de diâmetro de aço galvanizado de alta resistência com multi hélices helicoidais onde extensões de mesmo diâmetro são conectadas. A fundação com tubo de 4 é usada em aplicações onde existe tração e compressão com esforço lateral moderado. Várias configurações de seção guia e de extensões estão disponíveis para dar flexibilidade ao projeto. As conecções entre a seção guia e as extensões e entre as extensões são feitas através de três parafusos. Diversos tipos de terminação estão disponíveis Estaca ou fundação em tubo 8 A Fundação em tubo 8 (extensões), possui seção guia de 10,16 cm e extensões de 20,3 cm de diâmetro para resistir às forças de tração, compressão e cargas laterais. São conectadas por um conjunto de parafusos no topo da seção guia e de cada extensão. Fundações com multi-elementos podem ser conectadas a grelhas metálicas, perfis metálicos ou blocos de concreto. A capacidade total da fundação é o somatório de cada fundação isolada Tirantes ou âncoras em barras quadradas As âncoras em barras quadradas são projetadas para cargas de tração. Duas, três ou quatro hélices são soldadas a uma barra quadrada de aço de alta resistência. Cada hélice age como uma âncora em separado para aumentar a capacidade de carga. Extensões podem ser adicionadas à seção guia para se atingir a profundidade necessária (solo com a resistência requerida). TABELA 2: Valores de torque e capacidade de carga Propriedades mecânicas Máximo torque de Instalação Mínima carga última de tração 1,50 1,75 2,00 2, TABELA 3: Características mecânicas nominais das âncoras helicoidais 1,50 e 2,25 Medida da haste Barra quadrada de aço sólida com cantos redondos Capacidade de torque máximo Capacidade de carga última por hélice (tração ou compressão) 38 mm 57 mm kn kn Obs.: Estão também disponíveis as âncoras helicoidais de 1,75 e 2, Método de projeto de capacidade da âncora chance: Correlação capacidade de carga-torque - Existe uma relação entre o torque requerido na instalação de uma âncora helicoidal e sua Capacidade de carga última. - Qu = Kt x T, onde: - Qu = Capacidade de carga última - Kt = Fator de torque empírico - T = Torque de instalação médio O valor de Kt é função da instalação, do solo e do tipo de âncora instalada Ferramentas de instalação: Para se instalar uma fundação ou âncora é necessário um equipamento com um sistema hidráulico adequado (3.000 psi de pressão hidráulica e 40 gpm de vazão de bomba), para se atingir torques até lbs.ft e rotação ente 13 e 20 rpm. Ferramentas de adaptação para o motor hidráulico, torquímetro, fundações em tubos ou quadradas são disponíveis. Uma vez que a capacidade de carga da fundação ou âncora é diretamente proporcional ao torque de instalação, quando se atinge o torque requerido a instalação pode ser paralisada e se garante a capacidade de carga da fundação ou âncora. O indicador de torque (torquímetro) está disponível em duas versões: torquímetro com ponteiro e leitura direta e torquímetro de pino. Neste caso cada pino suporta a força de torção de 500 ft.lbs e são colocadas quantos pinos forem necessários para se atingir o torque requerido. Quando este torque é alcançado ocorre o cisalhamento dos pinos e a instalação é interrompida. 4.7 Principais vantagens do sistema vértice de fundações e ancoragens: - Relação direta entre o torque de instalação e a capacidade de carga da âncora ou fundação. Isto prediz a capacidade de carga com total segurança; - Possibilidade de desinstalação permitindo mobilidade e monitoramento contra corrosão; - Custo muito baixo do equipamento e ferramentas de instalação; - Utiliza pouca mão de obra (3 homens por equipe); - Alta produtividade sem interrupções por condições climáticas (chuvas); - Não agride o meio ambiente (não existe escavação, resíduo de materiais, perturbação do solo, etc...); - Não utiliza concreto; - Não necessita de estudos de solos complementares, apenas sondagens SPT e a Trado;

4 4 - As torres podem ser montadas imediatamente após a instalação da âncora ou fundação, não necessitando de tempo de cura como nas fundações em concreto; - Por se prever com exatidão as profundidades de instalação e por estarem disponíveis em vários comprimento, não existe sobra ou perda de material. 5. Dados do projeto e construção da LT Abadia/Santa Clara 5.1 Sondagens e ensaios de ruptura A partir do relatório de sondagens à percussão, realizadas em todas as torres da LT, escolheu-se os dois pontos que melhor caracterizavam a disposição da camada orgânica no subsolo, para realização dos testes de carregamento das fundações que seriam utilizadas, levando-as à ruptura nas condições mais desfavoráveis, ou seja, compressão máxima na torre 3, e tração máxima na torre 22. mesma o torque necessário, sem atingir a camada de argila orgânica, representada pela cor cinza. Para este ponto o teste à compressão foi o mais importante. Na torre 22, o problema era determinar a profundidade mínima, além da camada de argila orgânica, onde seria possível ancorar a fundação com a devida segurança ao arrancamento. Para este ponto o teste à tração foi o mais importante. Com os dados referentes à capacidade de carga das fundações, os testes executados serviram para melhor correlacionar as informações das sondagens com as expectativas teóricas, além de permitir uma avaliação mais precisa sobre o comportamento do sistema hidráulico disponível na obra e seu respectivo rendimento visando o planejamento da obra. TABELA 4: Sondagem à Percussão SPT da LT Abadia Santa-Clara Argila Orgânica Profundidade Torre SPT Torre m , , , , , , , , , , , , , , , ,0 3 17,0 3 18,0 4 19,0 2 20,0 3 NA (m) OBS.: Os dois pontos acima, torres 3 e 22, são representativos de todo o percurso da LT, e por isso foram selecionados para as provas de carga. No caso da torre 3, o problema era assentar a fundação ( âncora ) na profundidade de conferisse à Figura 1: Cravação da estaca de teste Figura 2: Ensaio de compressão na torre 3. Deslocamento (mm) Ensaio de compressão na torre Carga aplicada (tf)

5 5 Ensaio de tração na torre 22 Figura 4: Pé de torre que utilizou quatro estacas, necessidade de bloco de coroamento Deslocamento (mm) C arga (tf) Obs.: Foi adotado, como critério, paralisar o ensaio quando a carga de compressão atingisse 150% da carga de projeto, que foi de 16 t. Obs.: Foi adotado, como critério, paralisar o ensaio quando a carga de tração atingisse 200% da carga de projeto, que foi de 12 t. 5.2 Projeto Foi desenvolvido um projeto específico para cada torre da LT, observando-se o comportamento do subsolo e as cargas aplicadas. De acordo com o tipo de torre e suas solicitações, definiu-se três tipos básicos fundações: Torres que utilizariam uma única estaca por pé, não necessitando de blocos de coroamento. Torres que utilizariam duas estacas por pé, necessitando de bloco de coroamento. Torres que, além do bloco de coroamento, necessitariam de cintamento interligando os quatro pés. Figura 5: Estrutura de coroamento metálica. Possibilidade não utilizada na LT em questão. 5.3 Acompanhamento da execução A execução das fundações foi acompanhada por dois engenheiros da Vértice, especialistas no método. Um atuou na produção das peças, acompanhando o fornecimento dos materiais básicos (tubos de aço, chapas, etc.), bem como a montagem dos componentes das estacas (cortes, soldagem das hélices, etc.), o outro atuou junto às equipes de instalação, controlando os estoques e a produção, acompanhando os dados de cravação, comparandoos com o projeto, e intervindo no processo na eventual ocorrência de divergências. 5.4 Quantitativos da obra 71 Torres metálicas auto-portantes 348 Fundações metálicas helicoidais TABELA 5: Comparativo entre as fundações perfil "I" e estaca metálica helicoidal (projetos) Figura 3: Torre utilizando uma única estaca por pé, não necessitando de blocos de coroamento Perfil "I" Helicoidal Redução (%) Escavação (m3) 910,00 285,42 68,63 Armação () 72390, ,00 73,08 Concreto (m3) 845,00 267,31 64,11 Forma (m2) 4900, ,70 75,57 Reaterro (m3) 145,00 37,65 74,03 Estacas (ml) ,33

6 6 6. Conclusões a partir dos resultados da obra da CERJ TABELA 6: Comparativo entre os volumes iniciais de projeto e os volumes reais realizados item Previsto Realizado Variação (%) Escavação 285,42 m3 297,01 m3 4,06 Armação , ,00 1,02 Concreto 267,31 m3 277,10 m3 3,66 Forma 1.196,70 m ,05 m2 2,95 Reaterro 37,65 m3 38,82 m3 3,10 TABELA 7: Elementos metálicos Item Quantitativo Hélices ,40 Flanges 6.240,00 Luvas 8.882,20 Tubos 4" , ,60 m Tubos 8" , ,50 m Parafusos 3/4" x 6,5" 1.245, un Parafusos 3/4" x 2,5" 678, un Total ,90 Galvanização Hélices de 12" Hélices de 14" Flanges de 14" , un un un Total Geral () ,90 Peso por composição () 72,40 Peso por torre () 1.681,10 Peso por fundação () 343,00 Peso por ml () 29,07 Total instalado (ml) 4.105,10 Instalado por torre (ml) 57,81 Total de Componentes (un) 1.622,00 Componentes por torre (un) 22,80 Componentes por fundação (un) 4, Sobre o método Ficou evidente a necessidade de sondagens confiáveis em cada ponto onde será executa a fundação helicoidal, já que isto constitui-se no principal ponto de partida para o desenvolvimento seguro do projeto. O projeto deve ser desenvolvido especificamente para cada fundação, tendo em vista o comportamento das diversas camadas do subsolo. Com projeto específico, associado a condições peculiares do subsolo, torna-se fundamental o acompanhamento da execução por profissional capaz de avaliar as eventuais distorções construtivas, conferir as sondagens disponíveis e eventualmente adaptar o projeto aos dados reais obtidos no campo. Este profissional também tem a função de controlar os estoques de materiais no canteiro, evitando o desperdício e/ou a falta, que pode acarretar em interrupções na produtividade. Como o sistema de cravação pode ser adaptado a retroescavadeiras e guindautos, a locomoção e mobilização é facilitada. O comportamento das cargas máximas que atuam numa LT ( esporádicas e de curta duração ) favorecem a utilização do método. 6.2 Resultados práticos na obra de construção da LT Rendimento do serviço de estaqueamento Com o sistema helicoidal foi possível concluir a obra dentro do prazo contratual, apesar de impedimentos que reduziram o tempo disponível para a conclusão das fundações Custo apurado O custo com a execução das fundações ainda foi ligeiramente inferior ao previsto inicialmente com o sistema convencional. Este resultado poderia ter sido ainda melhor, se não fosse adotada pela CERJ, a execução de blocos de concreto encabeçando todas as estacas, mesmo naquelas onde não havia necessidade teórica. O objetivo desta medida foi aumentar a segurança quanto aos esforços horizontais e criar um referencial de nível do terreno natural, facilitando assim a percepção, por parte das turmas de manutenção de LT s, de eventuais rebaixamentos no terreno que possam comprometer a estabilidade das fundações com estacas simples ( uma por pé ) Absorção de nova tecnologia Os resultados acima nos permitem afirmar que dispomos atualmente de mais uma opção de tecnologia de fundações, simples, econômica e segura.