RECOMENDAÇÕES E INFORMAÇÕES TÉCNICAS SOBRE FUNDAÇÕES DE LINHAS DE TRANSMISSÃO RUBENS ASHCAR VIII ERLAC CESP CIUDAD DEL ESTE -1999 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. 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. Para a definição dos afloramentos dos pés das torres, nas fundações com stub, recomenda-se: - 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). 3. INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS 3.1 Ensaios de campo 3.1.1 Sondagens É essencial fazer sondagens (SPT, Rotativa e Borro) ao longo da linha, para que as fundações das estruturas sejam dimensionadas com segurança e otimização. 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. 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. 3.2 Ensaios de laboratório 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. 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. 3.3 Provas de carga Visam determinar, por meios diretos, as características de deformação ou resistência do terreno, ou de elementos estruturais da fundação. A execução de provas de carga permite otimizar os projetos de fundação, assim como comparar os resultados práticos com os previstos nas teorias existentes. A realização de provas de carga (compressão e arrancamento) também é importante para verificar a necessidade de reforço das fundações nas seguintes situações: - 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/m 2 na estaca de concreto e de 1,8 tf/m 2 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 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. 5. 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 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 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. 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. 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. 5.1.3 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. 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. 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, pelo menos um chumbador ao arrancamento. 5.1.6 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) - 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/m 3 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. 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 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 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] 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. [3] ASHCAR, R. - Comparações de custos entre torres estaiadas e autoportantes na LT 460 kv Jupiá- Taquaruçu. In: Encontro Regional Latino-Americano da Cigré, 5 o, Ciudad del Este, 1993. AGRADECIMENTOS 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. 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 Latino- Americano da Cigré, 7 o, Puerto Iguazú, 1997. [2] ASHCAR, R. - Fundações para linhas de transmissão. In: Seminário Avançado em Linhas de Transmissão de Energia Elétrica, 1 o, Belo Horizonte, 1996.