IMPORTÂNCIA DA INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA DE SUBSUPERFÍCIE EM PROJETOS DE FUNDAÇÕES DE LINHAS DE TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Autor Célio Roberto Campos Piedade Jr, Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento - LACTEC RESUMO: Na atual prática brasileira de projetos de linhas de transmissão, as empresas projetistas utilizam os métodos de projeto clássicos da engenharia de fundações, procurando aliar as peculiaridades do setor elétrico com as determinações da ABNT (199) - NBR 1. No campo da investigação geotécnica os projetistas recorrem a observações de campo, mapas e correlações com sondagens SPT em determinados pontos do traçado para obter os parâmetros de projeto da linha. Este trabalho tem por objetivo mostrar a grande variabilidade do N SPT ao longo de uma linha de transmissão, apresentando algumas análises de dados de sondagem SPT (Standart Penetration Test) de três linhas de transmissão projetadas no estado do Paraná. Foi verificado que para as profundidades entre m e m o coeficiente de variação dos valores de N SPT variam de 35% para formações geológicas de baixa variabilidade a 1% para formações de alta variabilidade. PALAVRAS-CHAVE: Linhas de Transmissão, Fundações, Investigação Geotécnica, Variabilidade Geológica. 1 INTRODUÇÃO As linhas de transmissão visam interligar sistemas geradores de energia elétrica com subestações e também fazer a ligação entre subestações. Normalmente são compostas por postes de concreto no trecho urbano e torres metálicas nas áreas rurais. Torres e postes não são estruturas comuns no cotidiano da maioria dos engenheiros geotécnicos. Esta prática é mais restrita aos profissionais das empresas de energia elétrica, que utilizam os mesmos métodos de cálculo empregados em projetos de edificações e construção civil. A filosofia de segurança e a prática de investigação são complexas devido à peculiaridade da obra, a qual se desenvolve ao longo de pontos de um alinhamento. Normalmente, são utilizados o método das tensões admissíveis e mais recentemente o método dos estados limites últimos. As investigações são realizadas de acordo com a experiência prática das empresas. Normalmente são investigados determinados pontos do traçado de uma linha com o objetivo de montar um padrão de geologia ao longo do traçado. Dentre os ensaios de campo e laboratório mais utilizados está o trado, SPT (Standart Penetration Test) e ensaios triaxiais do tipo adensado não drenado (CU). O presente trabalho tem por objetivo demonstrar a grande variabilidade geológica existente ao longo do traçado, determinada através de ensaios de SPT em linhas de postes de concreto e de torres metálicas. A variabilidade geológica será quantificada através do coeficiente de variação da resistência à penetração do ensaio SPT. Essa variável interfere no índice de confiabilidade tanto da linha, como da estrutura, além de interferir na resistência característica da linha (Aoki ). Foram selecionados para análise nesse trabalho, alguns boletins de investigação de campo do tipo SPT executados em trechos de três linhas de transmissão projetadas pela COPEL TRANSMISSÃO SA de diferentes Formações Geológicas do Estado do Paraná cuja localização está indicada no mapa geológico do estado obtido em MINEROPAR (). Na região A, indicada na Figura 1, está a Linha de Transmissão de 13 kv entre Londrina e Rolândia, composta por estruturas. Encontra-se localizada no Norte do Paraná e está situada sobre a Formação Serra Geral. Nesta região o maciço de solo é formado predominantemente por argilas siltosas e arenosas vermelhas de consistência mole à média. Normalmente o nível de água é
encontrado em profundidades superiores a m. São freqüentes os afloramentos basálticos nos trechos acidentados. Na região B está a Linha de Transmissão de 9 kv entre Santa Mônica e Atuba, composta por 1 postes, situada na Região Metropolitana de Curitiba sobre a Formação Guabirotuba. Os solos ao longo do traçado desta linha são as argilas siltosas cinzas esverdeadas características desta região. Sua consistência varia de mole a rija. O nível de água é encontrado a uma profundidade variada, porém em média a 3 m de profundidade. Por fim, na região C está a Linha de Transmissão de 13kV entre Praia de Leste e Grajaú, com 13 postes, situada no litoral do Paraná a cerca de 5 m do litoral sobre sedimentos arenosos de origem marinha (MINEROPAR, 1/5/). O maciço é composto por areias litorâneas compactas a muito compactas, com nível de água aflorando em toda a extensão da linha. Figura 1 Mapa geológico do Paraná (MINEROPAR, ) ALGUNS ASPECTOS SOBRE ESTRUTURAS DE LINHAS DE TRANSMISSÃO Em uma linha de transmissão as estruturas estão dispostas em pontos ao longo de tangentes similares aos projetos rodoviários. As estruturas de vértice, mais reforçadas, são chamadas de Ancoragens e as que se encontram alinhadas são chamadas de Suspensão. Os projetistas consideram boa prática locar estruturas de ancoragem no alinhamento, para dar mais segurança à linha no caso de queda de estruturas, uma vez que essas são projetadas para maiores solicitações..1 Torres Metálicas e Postes de Concreto As torres são estruturas metálicas de circuito simples ou duplo, sendo estas últimas submetidas a maiores solicitações. Nas séries de torres desenvolvidas pela Copel, as de circuito simples têm 3 cabos condutores com um ou dois cabos pára-raios. As torres de circuito duplo têm cabos condutores, 3 no circuito à direita e 3 à esquerda, podendo ter um ou dois pára-raios. As fundações das torres metálicas são solicitadas por esforços normais de compressão e tração e por esforços horizontais. Tais esforços são resultantes das solicitações devidas ao próprio peso, aos cabos e ao vento na estrutura. Conforme memórias de cálculo fornecidas pelos projetistas estruturais e fabricantes, os esforços na fundação dessas estruturas padrão Copel de 3 kv podem chegar a 1 kn de compressão e tração e 1 kn de esforço horizontal. Essas torres têm altura variando de 35 a 5 m e estão distanciadas de cerca de m. Estruturas de padrão superior, como a de tensão de 5 kv, podem ter esforços muito maiores. Os postes tais como as torres podem ser de circuito simples e duplo. A diferença é que abaixo do condutor inferior é posicionado um cabo auxiliar que serve como proteção de aproximação física de terceiros (pessoas, guinchos e outros equipamentos). Os postes são solicitados por esforços semelhantes aos das torres, porém com esforços de momento e carga horizontal aplicadas em seu topo. Os momentos nas fundações de postes circulares podem chegar a 5 kn.m. A altura dessas estruturas padrão 9 kv e 13 kv pode variar entre 19 m a m e podem estar distanciadas de cerca de 5 m.. Aspectos do Projeto de Fundação Em geral os esforços de projeto em uma linha de transmissão são de grande variabilidade. Normalmente as estruturas e suas fundações são dimensionadas verificando-se várias
hipóteses críticas. Dentre elas estão as de cargas normais, temperatura mínima, temperatura de projeto, vento máximo, vento reduzido com pára-raio rompido e vento reduzido com cabo condutor rompido. A velocidade do vento é uma variável fundamental no cálculo dos esforços, pois a pressão exercida por ele é distribuída pelos cabos e pela área dos perfis da estrutura. Os esforços são calculados conforme prescrições da ABNT (195) - NBR 5 Projeto de Linhas Aéreas de Transmissão de Energia Elétrica. Conforme procedimentos da Copel, o projeto de fundação é feito para cada estrutura com o maior esforço calculado através de software desenvolvido na empresa. Normalmente as cargas máximas em torres metálicas desenvolvidas pela Copel ocorrem para a hipótese de vento máximo. Para postes, o máximo esforço varia entre o vento máximo e a hipótese de ruptura de cabos. Os ventos máximos para linhas de 13 kv são determinados para um tempo de recorrência de 5 anos e com rajadas de segundos. Pelo tempo da rajada, é permitido supor que em um curtíssimo intervalo de tempo os esforços passem de 5 kn de compressão na hipótese de cargas normais para kn de compressão para vento máximo. Fica, portanto, justificado pelas hipóteses de cálculo ser prudente considerar que a velocidade do carregamento é extremamente rápida. As resistências são calculadas pelos métodos clássicos da engenharia de fundações, tais como a teoria de Terzaghi (193) para capacidade de carga à compressão, método do tronco de cone e atrito lateral para resistência à tração e métodos baseados na teoria do módulo de reação horizontal do solo para determinação da capacidade de carga horizontal de elemento isolado de fundação. A filosofia de segurança é de simples aplicação sob a premissa de que a solicitação de cálculo deve ser inferior à resistência de cálculo. Contudo, os resultados retornados por ela são questionáveis devido aos mesmos fatos que simplificam a aplicação da teoria, ou seja, poucos dados relativos às resistências e elevada variabilidade das solicitações. Os fatores de minoração de resistência são utilizados conforme a ABNT (199) - NBR 1. Os de majoração de esforços devem atender a ABNT () - NBR 1 e ABNT (195) - NBR 5. Infelizmente é bastante complexo utilizar estados limites de utilização. Na literatura internacional há uma indicação da ASCE (19), com base nas referências de Sowers (1979). São estabelecidos valores limites para recalques em função da largura da fundação superficial..3 Critério de Investigação Os critérios de investigação também variam conforme os projetistas. Alguns fazem sondagem nas estruturas mais carregadas, outros em determinados pontos que permitem fazer um modelo geológico. Outros especificam investigação em todos as estruturas de uma linha e fazem uma consistente comprovação de capacidade de carga. Algumas empresas complementam as investigações de campo com ensaios de laboratório. O critério adotado pela Copel Transmissão SA é investigar com sondagens SPT todas as estruturas de uma linha de torres metálicas independente da tensão. Nas linhas de postes a investigação se restringe a um intervalo de 3% a % das estruturas, sendo escolhidas as estruturas de ancoragens mais carregadas e uma sondagem a cada 3 estruturas nos trechos de suspensão. Normalmente são executados furos de 1 m de profundidade para estruturas de suspensão e m para estruturas de ancoragem. Nas linhas de transmissão da Copel, por questões de execução e de economia, utiliza-se preferencialmente fundação superficial tanto para as estruturas de ancoragem, como nas de suspensão. A profundidade de 1 metros se deve a abrangência da profundidade de assentamento da fundação superficial somada a seu bulbo de pressões. A profundidade de metros para as estruturas de ancoragem, de maior carregamento, se justifica pela eventual necessidade da utilização de fundação profunda. Em casos especiais são realizados ensaios de cone (ABNT 1991 - NBR 19) e adensamento (ABNT 199 - NBR17).
3 RESULTADOS E ANÁLISES A seguir são apresentados alguns resultados de sondagens realizados em 3 linhas de transmissão projetadas pela Copel em vários pontos do estado do Paraná. Como existem muitos dados, será apresentada a diferença entre N SPT de cada estrutura e o N SPT médio da seqüência de perfis do conjunto de sondagens consideradas ao longo da profundidade. Também será mostrado o coeficiente de variação em relação a profundidade para as 3 linhas e o comportamento de N SPT a 3 m, m e 5 m para todas as sondagens de cada linha. Na Figura observa-se a variação de N SPT em relação ao valor médio para a LT 9 kv Santa Mônica Atuba, localizada na Região Metropolitana de Curitiba. Esta linha é composta por 1 postes de concreto, circuito simples onde 35% das estruturas foram investigadas. N-Nméd - -3 - -1 1 3 indicadas, a variabilidadede dos perfis analisados e o coeficiente de variação para as mesmas profundidades citadas. N-Nméd -1 - - 1 1 1 7 9 1 11 1 13 1 15 Figura 3 Gráfico N-SPT Nméd x Profundidade para sondagens na LT 13kV Londrina - Rolândia. A linha de menor incerteza é a LT 13kV Londrina Rolândia mesmo analisando furos onde a rocha alterada está próxima da superfície. Ainda que apresentando menor variabilidade, comparando os valores de N SPT a m de profundidade observa-se a grande dispersão dos valores para serem tratados estatisticamente. N-Nméd -3 - -1 1 3 1 1 E11 E1 E1 E1 E E Figura Gráfico N-SPT Nméd x Profundidade para sondagens na LT 9kV Santa Mônica x Atuba. 1 A Figura 3 mostra a variação N SPT N médio para a LT 13 kv Londrina Rolândia. A Figura mostra a variação entre N SPT N médio para a LT 13 kv Praia de Leste Grajaú de localizada no litoral do Paraná. A Figura 5 mostra o coeficiente de variação em relação a profundidades para as 3 linhas. A Tabela 1 resume características relevantes dos perfis. Observa-se a variação de N em relação a Nméd para uma determinada estrutura de cada linha nas profundidades 1 1 7 1 17 9 Figura Gráfico N-SPT Nméd x Profundidade para sondagens na LT 13kV Praia de Leste x Grajaú. O coeficiente de variação para essas profundidades é bastante alto. Não se pode afirmar que a variabilidade da LT Londrina Rolândia é compatível com a da LT Praia de Leste Grajaú pelo simples fato de
apresentarem coeficientes de variação similares. 1 1 Coeficiente de variação (%) 1 1 1 1 LT 9kV SANTA MÔNICA - ATUBA LT 13kV LONDRINA - ROLÂNDIA (E1 A E9) LT 13kV LONDRINA - ROLÂNDIA (E7 A E15) LT 13kV PRAIA DE LESTE - GRAJAÚ Figura 5 Gráfico Coeficiente de variação x Profundidade para as sondagens das 3 linhas. Tabela 1 Resumo das características das linhas nos trechos e perfis indicados. Linha Prof (m) Variação de N p/ Var. N entre CV (%) 1estrut. estrut. Sta. Mônica -5 1 1 Atuba +1 7 (E11) 7-15 11-5 9 Londrina -, 1 35 Rolândia +, 7 5 (E 1) 7-3, - 11 Praia de Leste 3-17, Grajaú 5 +1,1 1 39 (E-1) 7 +1,7 1-3 3 Na Figura observa-se o valor de N SPT para cada estrutura investigada nas profundidades de 3, e 5 m nas 3 linhas estudadas. Nessas profundidades em geral encontra-se a cota de base das fundações superficiais. Os gráficos mostram a grande oscilação de valores entre uma sondagem e outra, bem como a diferença entre as 3 linhas, onde a LT Londrina Rolândia se apresenta em maciço de menor variabilidade e em geral menores valores de N SPT. As outras linhas apresentam valores de N SPT bem maiores, porém com maior variabilidade. CONCLUSÕES Os resultados apresentados conduzem as seguintes conclusões: 1) A variabilidade dos valores de N SPT ao longo das linhas pode ser influenciada pela formação geológica pelas quais elas passam. ) Mesmo para traçado em formações de baixa variabilidade como a formação Serra Geral a variação de N SPT é bastante alta dificultando a escolha dos parâmetros de projeto. 3) Para minimizar as incertezas deve-se investigar todas as estruturas, não apenas com o SPT, mas também combinando este com outros ensaios. AGRADECIMENTOS O autor agradece a Copel Transmissão SA pelo fornecimento dos dados de sondagem. Aos professores Luiz Russo Neto, Carlos José Marques da Costa Branco, Paulo Roberto Chamecki e os colegas Revisores do evento pela revisão e contribuição com o trabalho. REFERÊNCIAS ABNT (195) Projeto de Linhas Aéreas de Transmissão de Energia - NBR 5 ABNT (199) Ensaio de Adensamento Unidimensional - NBR 17 ABNT (1991) Ensaio de Penetração de Cone In Situ - NBR 19 ABNT (199) Projeto e Execução de Fundações NBR 1 ABNT () Ações e Segurança nas Estruturas - NBR 1 Aoki, N. () Probabilidade de falha e carga admissível de fundações por estacas. Vol. XIX 3º Quadrimestre, Revista Militar de Ciência e Tecnologia. ASCE (19) Guide for Design of Steel Transmission Towers. ASCE Manuals and Reports on Engineering Pratice Nº5. MINEROPAR Minerais do Paraná SA, (). Curitiba. Mapas Interativos. Disponível em: <http: //www.pr.gov.br/mineropar/>. Terzaghi, K. (193) Teoretical Soil Mechanics. John Wiley and Sons Co, New York, NY, USA, 51 p. Sowers, G. F. (1979) Introductory Soil Mechanics an Foundations: Geotechnical Engineering. th ed., MacMillan Publishing Co, New York, NY, USA.
55 5 5 35 3 5 15 1 5 E1 E E11 E1 E1 E E31 E3 E1 E E51 N - SPT E5 55 5 5 N - SPT 35 3 5 15 1 5 E11 E1 E1 E1 E E E7 E9 E3 E3 E39 E1 E E3 E E9 E51 E55 E E3 E E7 E7 E77 E1 E5 E9 E9 E9 E1 E1 55 5 5 N-SPT 35 3 5 15 1 5 E1 E E7 E1 E17 E E E E E9 E3 E35 E3 E1 E E7 E5 E51 E5 E3 E E73 E E9 E13 Estruturas investigadas N-SPT a 3m N-SPT a m N-SPT a 5m Figura N-SPT para todas as estruturas investigadas em cada linha para as profundidades de 3, e 5m. a) LT 13 kv Londrina Rolândia. b) LT 9kV Santa Mônica Atuba. c) LT 13kV Praia de Leste Grajaú.