Implementação Computacional Simplificada para Verificação de

UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI - ÁRIDO DEPARTAMENDO DE CIÊNCIAS AMBIENTAIS E TECNOLÓGICAS - DCAT BACHARELADO EM ENGENHARIA CIVIL

CHARLES PEREIRA CHAVES

Implementação Computacional Simplificada para Verificação de

Projeto de Fundações de Aerogeradores On-Shore

MOSSORÓ

2013


Implementação Computacional Simplificada para Verificação de

Projeto de Fundações de Aerogeradores On-Shore

Monografia apresentada a Universidade Federal

Rural do Semi - Árido - UFERSA, Departamento

de Ciências Ambientais e Tecnológicas para a

obtenção do título de Engenheiro Civil.

Orientador: Prof. M.Sc. John Eloi Bezerra -

UFERSA

MOSSORÓ

2013


Implementação Computacional Simplificado para Verificação

de Projeto de Fundações de Aerogeradores On-Shore

Monografia apresentada ao Departamento

de Ciências Ambientais e Tecnológico para

obtenção do título de Bacharel em

Engenharia Civil.

.

Ficha catalográfica preparada pelo setor de classificação e catalogação

da Biblioteca “Orlando Teixeira” da UFERSA C512i Chaves, Charles Pereira.

Implementação computacional simplificado para verificação

de projeto de fundações de aerogeradores On-Shore / Charles

Pereira Chaves. -- Mossoró, RN : 2013. 79f. : il.

Orientador: Profª. M. Sc. John Eloi Bezerra.

Monografia (Graduação) – Universidade Federal Rural do

Semi-Árido, Graduação em Engenharia Civil, 2013.

1. Fundações de aerogeradores. 2. Bloco de concreto armado. 3.

Dimensionamento de fundações de aerogeradores. I. Título.

CDD: 621.3121 Bibliotecária: Marilene Santos de Araújo

CRB-5/1033

AGRADECIMENTOS

A Jesus Cristo, amigo sempre presente, sem o qual nada teria feito;

A minha mãe, que sempre me apoiou em toda a minha jornada acadêmica;

A Eginaldo Alves Guerreiro, grande irmão, sempre presente em grandes momentos de

minha vida, e a Lucas Leite Mesquita, amigo mais chegado que irmão e parceiro de

batalha desde o começo do curso. A vocês, reservo este minúsculo espaço para

agradecer e louvar a Deus por ter vos ter conhecido e saber que enquanto estivermos

aqui na terra estaremos sempre juntos;

A galera da irmandade 13, por todo esse tempo de convivência e grande aprendizado de

vida (positivas e negativas).

A toda a turma de engenharia civil da UFERSA, em especial aos companheiros e

parceiros de longas viradas de noites, estudando e fazendo trabalhos:

DAIANNE FERNANDES DIOGENES; FRANCISCO SOLANO DE LIMA NETO;

GIRLENE SUELLY SOUZA DE MOURA; CRISLAYNE RAIANE FERNANDES

VASCONCELOS; DOUGLAS BATISTA DA COSTA; JORGE ARTUR FRANCA

DE MENDONCA;SUZANE (TITIA); MICHELLE VIEIRA XAVIER DE OLIVEIRA;

RENATA FONSÊCA NOLASCO; VANESSA JAMILLE MESQUITA XAVIER

Aos demais amigos, que sempre incentivaram meus sonhos e estiveram sempre ao meu

lado;

À Elza Chaves Moreira, pela sua grande

determinação de vida, e pelos dias de mãe,

pai, amiga em diversos momentos

dedicados em minha vida.

DEDICO

RESUMO

Este trabalho consiste em apresentar um referencial teórico dos tipos de

fundações de aerogeradores mais utilizadas nos principais parques eólicos nacionais e

internacionais. Mostra também uma abordagem teórica da determinação das principais

cargas atuantes no sistema de uma torre eólica. Aborda uma implementação

computacional simplificada em excel, onde são feitas as principais verificações de

resistência do bloco de concreto armado rígido circular, através do método das bielas e

tirantes, bem como as principais verificações de capacidade de carga vertical e

horizontal do sistema de fundação com o solo, utilizando os métodos de verificação

mais utilizados no Brasil.

Palavras-chave: Fundações de aerogeradores; Bloco de concreto armado;

Dimensionamento de fundações de aerogeradores.

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Valores do fator . .................................................................................................................. 41

Tabela 2 - Parâmetros meteorológicos para obtenção do fator . ............................................................ 42

Tabela 3 - Valores mínimos para . ......................................................................................................... 43

Tabela 4. Coeficiente de arrasto para corpo de seção constante e circular. ................................................ 43

Tabela 5 - Coeficiente de arrasto para barra prismática de seção circular e comprimento infinito. ........... 44

Tabela 6 - Coeficiente característico do solo C. ......................................................................................... 73

Tabela 7 - Valores do fator α em função do tipo de estaca e do tipo de solo. ............................................ 73

Tabela 8 - Valores do fator β em função do tipo de estaca e do tipo de solo. ........................................... 73

LISTA DE FIGURAS

Figura 1- Aerogerador Savonius................................................................................................................. 20

Figura 2 - Aerogerador Darrieus. ............................................................................................................... 20

Figura 3 - Aerogerador de Múltiplas Hélices (Cata-vento). ....................................................................... 21

Figura 4 - Componentes Básicas de um Aerogerador. ............................................................................... 22

Figura 5 - Fundação tipo Bloco. ................................................................................................................. 23

Figura 6 - Sapata Isolada. ........................................................................................................................... 24

Figura 7 - Sapata Associada. ...................................................................................................................... 25

Figura 8 - Sapata de Equilíbrio. .................................................................................................................. 25

Figura 9 - Baldrame. ................................................................................................................................... 26

Figura 10 - Execução da Estaca Strauss: (a) escavação; (b) limpeza do furo; (c) concretagem após

colocação da armadura; (d) estaca pronta. .................................................................................................. 27

Figura 11 - Sequencia de Execução da Estaca Tipo Franki. ....................................................................... 28

Figura 12 - Processo de Perfuração e Concretagem da Estaca Hélice Contínua. ....................................... 29

Figura 13 - Esquema de uma fundação superficial de uma aerogerador. ................................................... 31

Figura 14 - Esquema de fundação por gravidade. ...................................................................................... 32

Figura 15 - Fundação Estaqueada. .............................................................................................................. 33

Figura 16 - Fundação Ancorada. ................................................................................................................ 34

Figura 17 - Fundação Sobre Tubulão. ........................................................................................................ 34

Figura 18 - Isopletas da Velocidade Básica ( em m/s). ......................................................................... 36

Figura 19 - Fator topográfico (z) - Morro. ............................................................................................ 37

Figura 20 - Fator topográfico (z) – Talude. .......................................................................................... 38

Figura 21 - Sistema de cargas atuantes na torre eólica. .............................................................................. 45

Figura 22 - Esforços resultantes provenientes das cargas atuantes na torre. .............................................. 46

Figura 23 - Análise Criteriosa dos Esforços Internos da Torre. ................................................................. 48

Figura 24 - Sistema simplificado de barra engastada para verificação de efeito de segunda ordem

simplificado, .......................................................................................................................................... 49

Figura 25 - Trinômio das principais variáveis para projetos estruturais de concreto armado..................... 51

Figura 26 - (a) Deformações excessivas, (b) colapso do solo, (c) tombamento, (d) deslizamento e (e)

colapso estrutural. ....................................................................................................................................... 54

Figura 27 - Modelo de Bielas e Tirantes desenvolvido em elementos finitos (ANSYS)............................ 56

Figura 28 - Modelo de Bielas e Tirantes Simplificado. .............................................................................. 57

Figura 29 - Modelo tridimensional simplificado de bielas e tirantes para um bloco de concreto armado

rígido circular para n estacas. ..................................................................................................................... 58

Figura 30 - Esquema bidimensional do bloco circular de concreto (Eixo x-y; x-z). .................................. 60

Figura 31 - Esquema amplificado de distância mínima entre estacas......................................................... 62

Figura 32 - Modelo bidimensional das ações atuantes no bloco de concreto. ............................................ 63

Figura 33 - Tensões de Tração na Superfície Inferior do Bloco. ................................................................ 67

Figura 34 - Esquema triangular das tensões de tração de Rst. .................................................................... 68

Figura 35 - Esquema Vetorial de Equilíbrio das Forças no Nó Indicado no Plano X-Z. ............................ 68

Figura 36 - Esquema Vetorial de Equilíbrio das Forças no Nó Indicado no Plano X-Y. ........................... 69

Figura 37 - Parcelas de resistência constituintes da capacidade de carga do sistema solo-estaca. ............. 71

Figura 38 - Principais mecanismos de ruptura de uma estaca abordados pelo método de Broms. ............. 75

Figura 39 - Mecanismo de ruptura para estaca curta livre. ......................................................................... 76

Figura 40 - Mecanismo de ruptura para estaca curta engastada. ................................................................ 76

Figura 41 - Mecanismo de ruptura para estaca intermediéria. .................................................................... 77

Figura 42 - Mecanismos de ruptura para estacas longas, livres e engastadas na ponta. ............................. 77

Figura 43 - Ábaco de capacidade de carga lateral para solos não coesivos (1° maneira). .......................... 79

Figura 44 - Ábaco de capacidade de carga lateral para solos não coesivos (2° maneira). .......................... 79

Figura 45 - Ábaco de capacidade de carga lateral para solos coesivos (1° maneira). ................................. 80

Figura 46 - Ábaco de capacidade de carga lateral para solos coesivos (2° maneira). ................................. 80

Figura 47-Interface inicial da rotina computacional desenvolvida. ............................................................ 82

Figura 48-Parâmetros de entrada do solo. .................................................................................................. 84

Figura 49-Planilha de previsão de capacidade de carga por Décourt-Quaresma. ....................................... 85

Figura 50-Planilha de previsão de capacidade de carga horizontal por Broms. ......................................... 86

Figura 51-Verificação estrutural do bloco de concreto circular rígido para “n” estacas. ........................... 90

Figura 52-Tabelas de auxílio de cálculo. .................................................................................................... 91

Figura 53-Tabelas de auxílio de cálculo. .................................................................................................... 92

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

- Ângulo relativo de posição do centro geométrico da estaca em relação ao centro

geométrico do bloco. (Dependente da estaca);

- Área da projeção ortogonal da edificação , sobre o plano perpendicular à direção do

vento;

- Área de ponta ou base da estaca;

– Área de aço na seção radial;

– Área de aço na seção transversal;

- Coeficiente de arrasto do vento;

– Esforços verticais;

- Esforço vertical de projeto;

- Fator de rajada correspondente à categoria II;

– Coeficiente de empuxo passivo;

- Valor médio do índice de resistência à penetração do SPT ao longo do fuste;

- Valor médio do índice de resistência à penetração na ponta ou base da estaca,

obtido a partir de três valores: o correspondente ao nível da ponta ou base, o

imediatamente anterior e o imediatamente posterior;

- Carga vertical que ocorre na estaca i;

- Resistência Lateral;

– Resistência vertical admissível

– Tensão de compressão da biela;

- Resistência de Ponta;

- Tração Radial

– Fator topográfico;

– Fator de rugosidade do terreno;

– Fator estatístico;

– Resistência da coesão não drenada;

- Tensao de tração transversal entre estacas do bloco;

- Tração transversal;

– Velocidade básica do vento (em m/s), sendo a máxima velocidade média medida

sobre 3s, que pode ser excedidos pelo menos uma vez a cada 50 anos, a uma altura de

10m sobre o nível do terreno em lugar aberto e plano;

- Velocidade Característica do vento, dado em condições normais de temperatura

(25°C) e pressão (1 atm.) - (CNTP);

- Diâmetro da torre;

- Coeficiente de força de arrasto;

– Resistencia de dimensionamento a compressão;

– Resistência característica a compressão;

– Resistência de calculo de escoamento do aço;

– Resistência característica de escoamento do aço;

- massa total do bloco;

- Pressão dinâmica do vento;

– Pressão dinâmica do Vento;

– Pressão do vento na altura z;

- Estimativa da tensão de adesão ou de atrito lateral;

- Capacidade de carga junto à ponta ou base da estaca;

- Distância do centro da estaca até o eixo de giro do bloco;

- Cargas horizontais distribuídas devido ao vento;

- Cargas distribuídas devido à influência de equipamentos internos ();

- Peso próprio da torre;

- Peso específico do solo;

- Peso específico do material da torre;

– Coeficiente para verificação de efeitos de 2nd ordem;

– Tensão de Compressão da biela na estaca;

– Tensão de compressão da biela no pilar;

– Tensão de Fendilhamento;

– Tensão limite na estaca;

– Tensão limite de fendilhamento;

- Tensão limite no pilar;

A(z) – Área da seção transversal na altura z;

b’ - Distância da face externa do bloco a face externa da estaca;

CNTP – Condições Normais de Temperatura e Pressão;

D - Diâmetro do bloco;

d - Diâmetro ou largura da estaca para o método de Broms;

d - Distância do centro geométrico da estaca ao centro geométrico do bloco;

d’ - Altura útil do bloco;

DAF – Fator de amplificação dinâmica;

de(z) – Diâmetro exterior na altura z;

ELS - Estado Limite de Serviço;

ELU - Estado Limite Ultimo;

h - Altura do bloco de concreto;

i - Iteração de contagem do número de estacas [1 à n];

L - Comprimento do fuste;

n - número de estacas dispostas ao redor do bloco;

NBR – Norma Brasileira Regulamentadora;

TEEH - Turbina Eólica de Eixo Horizonta;

TEEV - Turbina Eólica de Eixo Vertical;

Z - Altura da cota acima do terreno;

α - ângulo de inclinação da biela de compressão (entre 45° e 55°);

- Inclinação do talude ou da encosta do morro;

– Diâmetro da estaca;

- Diâmetro das estacas;

- Coeficiente característico do solo

- Diâmetro da estaca para o método Décourt & Quaresma;

- Capacidade de carga do sistema;

- Número de Reynolds;

- Perímetro da estaca, suposto constante;

- Parâmetro meteorológico;

- diferença do nível entre a base e o topo do talude ou morro;

– Fator profundidade, dependente do tipo de solo;

- Constante gravitacional (9,81 m/s2);

- Expoente da lei potencial de variação de ;

- Altura medida apartir da superfície de terreno no ponto considerado;

– Ângulo de inclinação das forças transversais do bloco;

SUMARIO

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 16

2. OBJETIVOS ..................................................................................................................................... 18

2.1 GERAL ............................................................................................................................................. 18

2.2 ESPECÍFICOS ................................................................................................................................. 18

3. REVISÃO DE LITERATURA ........................................................................................................ 19

3.1 AEROGERADORES ....................................................................................................................... 19

3.2 FUNDAÇÕES .................................................................................................................................. 23

3.3 TIPOS DE FUNDAÇÕES DE AEROGERADORES ON-SHORE ................................................. 30

3.4 INFLUÊNCIA DAS CARGAS DEVIDO AO VENTO ................................................................... 35

3.4.1 Pressões Dinâmicas do Vento ................................................................................................. 35

3.5 Coeficiente de arrasto ....................................................................................................................... 43

3.5.1 Força de arrasto ....................................................................................................................... 44

3.6 ESFORÇOS ATUANTES NO SISTEMA DE TORRE EÓLICA ............................................ 45

3.6.1 Cargas horizontais ................................................................................................................... 46

3.6.2 Cargas Verticais ........................................................................................................................... 47

3.6.3 Análise da Torre Eólica ........................................................................................................... 47

3.6.4 Efeitos de segunda ordem (coeficiente ) ............................................................................ 49

3.7 ASPECTOS GERAIS DE PROJETO .............................................................................................. 51

3.7.1 Aspectos Estruturais ............................................................................................................... 52

3.7.2 Aspectos Geotécnicos ............................................................................................................... 53

4. MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................................................ 55

4.1 VERIFICAÇÕES NO PROJETO DE DIMENSIONAMENTO DA FUNDAÇÃO DO

AEROGERADOR .................................................................................................................................. 55

4.1.1 Blocos de concreto .................................................................................................................. 55

4.2 DIMENSIONAMENTO DE UM BLOCO DE CONCRETO CIRCULAR PARA “N” ESTACAS 57

4.3 DIMENSOÕES USUAIS DOS BLOCOS RÍGIDOS SOBRE “N” ESTACAS .............................. 61

4.4 VERIFICAÇÕES DA TENSÃO DE FENDILHAMENTO ............................................................. 65

4.5 VERIFICAÇÃO DOS TIRANTES .................................................................................................. 66

4.6 CAPACIDADE DE CARGA DO ELEMENTO DE FUNDAÇÃO POR ESTACA ........................ 71

Capacidade de Carga Admissível ............................................................................................. 74

4.7 CAPACIDADE DE CARGA TRANSVERSAL DO SOLO SOBRE ESTACAS .............. 74

4.7.1 Método de BROMS .................................................................................................................. 74

4.7.2 Coeficientes de majoração e de redução ................................................................................... 75

Resistência lateral na ruptura ................................................................................................ 76

5. RESULTADOS DE DISCURSÃO .................................................................................................. 81

5.1 RECOMENDAÇÕES PARA O USUÁRIO DA ROTINA COMPUTACIONAL .......................... 81

6. CONCLUSÕES ................................................................................................................................ 95

REFERÊNCIAS ....................................................................................................................................... 96

ANEXO 1 – Exemplo de sondagem realizada em um solo para instalação de um aerogerador. .... 100

ANEXO II – Tabelas de alguns resultados obtidos do exemplo hipotético de engenharia. ............. 101

16

1. INTRODUÇÃO

Com a crise do petróleo na década de 70, o mundo despertou a necessidade de

buscar outras formas de produção de energia. A partir de então novas formas de energia

(eólica, fotovoltaica, hidráulica), começaram a fazer parte do quadro energético

mundial. Mas somente na década de 90 é que de fato as fontes alternativas de energia

começaram a ganhar um espaço mais consolidado no quadro energético mundial. Isso se

deu principalmente devido a preocupação com as mudanças climáticas, especialmente

com a intensificação do efeito estufa na atmosfera (VARELLA, 2009).

Com o desenvolvimento de novas fontes de energia no Brasil, onde tem sido

buscado destaque ao PROINFA - Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de

Energia Elétrica, responsável por promover a diversificação da Matriz Energética

Brasileira, buscando alternativas para aumentar a segurança no abastecimento de

energia elétrica, além de permitir a valorização das características e potencialidades

regionais e locais (MME, 2011).

Segundo Amarante et al. (2003), o Rio Grande do Norte possui três áreas

bastante promissoras para investimentos eólicos: o Nordeste do estado (com velocidade

média dos ventos entre 8,0 e 8,5 m/s), o Litoral Norte – Nordeste com médias anuais de

8,0 m/s e as Serras Centrais com uma média anual de 8,0 m/s, sendo todas as

velocidades medidas a 50m de altura em relação ao nível do mar.

Devido a esses dados satisfatórios, o Rio Grande do Norte foi um dos estados

mais beneficiados com o PROINFA – Programa de Incentivo a Fontes alternativas de

Energia, chegando a ser recordista no cadastro de projetos (cerca de 40% do total) no

Leilão de energia de 2010, garantindo assim 30 projetos, somando 817,4 MW de

energias alternativas e nove (com 247,2 MW) no leilão de reserva (EPTV, 2011).

Devido a esse enorme incentivo no quadro energético potiguar, criou-se a

necessidade de se especializar profissionais e empresas de engenharia, para o

desenvolvimento da construção de parques eólicos na região. Principalmente no âmbito

de projetos de fundações de aerogeradores.

Com a grande deficiência de material bibliográfico a respeito de fundações de

aerogeradores no Brasil, este trabalho vem contribuir para melhor esclarecimento do

assunto perante a comunidade acadêmica e profissional de engenharia civil, mostrando

as principais verificações de dimensionamento estrutural e geotécnico bem como o

17

desenvolvimento de uma ferramenta computacional simplificada de dimensionamento

do sistema de fundação de um aerogerador.

18

2. OBJETIVOS

2.1 GERAL

Abordar as principais considerações e verificações realizadas para o projeto de

fundação de um aerogerador.

Criar uma ferramenta de auxílio á difusão da tecnologia eólica nacional, uma vez

que se há uma enorme dificuldade de se encontrar material para esse assunto na língua

portuguesa.

Fazer um levantamento bibliográfico da determinação das cargas atuantes em

todo o sistema da torre eólica.

2.2 ESPECÍFICOS

Desenvolver uma ferramenta computacional para um dimensionamento de um

sistema de fundação de uma torre eólica, analisando as principais verificações, tanto de

estudo do solo, quanto das resistências dos elementos estruturais de forma simplificada,

sem levar em consideração os efeitos dinâmicos do sistema.

19

3. REVISÃO DE LITERATURA

Segundo Moura (2007) a energia eólica é uma fonte inesgotável de energia que

utiliza o vento como fonte de energia elétrica e que, devido ao acelerado

desenvolvimento tecnológico dos últimos anos, vem se tornando cada vez mais

competitiva. Uma das maiores vantagens na utilização da energia eólica é que ela é uma

fonte de energia renovável e inesgotável, e o fato da exploração ser ecologicamente

favorável, não causando problemas ambientais e utilizando uma fonte inesgotável, o

vento. Portanto, proporciona economias importantes no consumo de combustíveis

fósseis, principalmente o petróleo, que é finito e pode ser destinado a outros fins.

3.1 AEROGERADORES

O funcionamento de transformação da energia eólica acontece quando a turbina

eólica capta uma parte da energia cinética do vento, que passa através da área varrida

pelo rotor, e a transforma em energia elétrica (AMARANTE, 2003).

Existem vários tipos de aerogeradores, basicamente são classificados pelo seu

eixo de rotação (MOURA, 2007). São eles:

o Turbina Eólica de Eixo Vertical (TEEV): Segundo Moura (2007), as TEEV’s

possuem vantagens por aproveitarem o vento em qualquer direção, sem

necessitar de mecanismos de direcionamento. Por outro lado, forças resultantes

alternadas surgem na estrutura devido aos ângulos de ataque e de deslocamento

constantemente alterados, causando assim elevadas vibrações na estrutura.

Os tipos de aerogeradores de eixo vertical mais utilizado são o Savonius e

Darrieus.

o Savonius: Os aerogeradores Savonius (figura 1) possuem um

mecanismo simples, consequentemente um baixo custo de construção.

Apresenta um elevado torque, sendo mais utilizada em moagem de

grãos, irrigação e em pequenos sistemas de bombeamento de água

(ENERGIAS RENOVÁVEIS, 2011).

20

Figura 1- Aerogerador Savonius.

Fonte: (TEEV, 2011)

o Darrieus: Bastante utilizado na geração de eletricidade de pequeno porte

(recarga de baterias) (EOLICA, 2011). Possui um rendimento maior do

que o Savonius. Segundo Moura (2007), o aerogerador Darrieus (figura

2) apresenta um rendimento mais elevado em relação ao Savonius,

porém possuem um sistema mais complexo, e um custo relativamente

maior do que o Savonius, por isso tem sido pouco utilizado.

Figura 2 - Aerogerador Darrieus.

Fonte: (PENEDO, 2011)

Turbina Eólica de Eixo Horizontal (TEEH): São as turbinas eólicas mais

utilizadas nos dias de hoje. Basicamente são divididos de acordo com a

quantidade de hélices. Podem ser divididos em:

21

o Aerogeradores de Hélices Múltiplas: Os aerogeradores de múltiplas

hélices (16 a 32 hélices) possuem um torque bastante elevado,

consequentemente são bastante aplicados no bombeamento de água em

poços. (figura 3). (ENERGIAS RENOVÁVEIS, 2011).

Figura 3 - Aerogerador de Múltiplas Hélices (Cata-vento).

Fonte: (HISTÓRIA DA ENERGIA EÓLICA, 2011).

o Aerogeradores de Duas ou Três Hélices: Possuem um melhor rendimento

em ventos de velocidades mais elevadas. Possuem vários tamanhos, sendo

os mais utilizados os de grande porte na geração de energia elétrica em

grande escala. Seus principais componentes estão ilustrados na figura 04,

(ENERGIAS RENOVÁVEIS, 2011).

Cubo: Responsável pela fixação das pás no sistema e pelo aumento

do rendimento na geração de energia;

Rotor: Ao qual estão acopladas as hélices ou pás.(que chegam a

medir mais do que 30 metros);

Eixo: Responsável pela transmissão da energia cinética do rotor para

o gerador elétrico acoplado a caixa multiplicadora;

22

Multiplicador: Conhecida também como caixa de marcha (gear

box). Responsável pela multiplicação da velocidade de giro do rotor;

Gerador: Responsável pela geração de energia rotacional do eixo do

sistema em energia elétrica;

Nacele: Também conhecida como cúpula. Responsável por proteger

todo o sistema mecânico e elétrico, na qual se encontram;

Torre: Suporte de sustentação do rotor e da nascele;

Figura 4 - Componentes Básicas de um Aerogerador.

Fonte: (CRESESB, 2011).

23

3.2 FUNDAÇÕES

Uma vez conhecendo as principais cargas atuantes no sistema, e toda a análise

de carga do solo, o próximo passo será o dimensionamento da fundação que consiste em

saber que tipo de fundação será responsável por transmitir as cargas da obra para o solo

(CAPUTO, 1987).

Segundo Caputo (1987), as fundações podem ser divididas em diretas ou

indiretas, de acordo com a forma de transferência de carga da estrutura para o solo.

Fundações Rasas

Também conhecidos como fundações rasas ou diretas. A carga é transmitida ao

terreno, predominantemente pelas pressões distribuídas sob a base da fundação, e em

que a profundidade de assentamento em relação ao terreno adjacente é inferior a duas

vezes a menor dimensão da fundação (NBR – 6122/96). Os principais tipos de

fundações rasas são, blocos, sapatas e radiers.

o Bloco: blocos são fundações de concreto simples ou ciclópico, possuindo

uma considerável altura, o que lhe proporciona uma grande rigidez.

Segundo Barros (2003), esse tipo de fundação geralmente trabalha

somente a compressão simples (figura 5);

Figura 5 - Fundação tipo Bloco.

Fonte: Autoria Própria.

24

o Sapata: são fundações construídas de concreto armado,

consequentemente possuem uma resistência à tração e a flexão. (NBR –

6122/96). É o tipo de fundação mais utilizada em construções de

pequeno porte. Os principais tipos de sapatas mais utilizadas em obras

são do tipo:

Sapata Isolada: são fundações que suportam apenas a carga de

um único pilar (figura 6). São bastante utilizadas na construção

civil, devido sua simplicidade e baixo custo em relação às outras

fundações. Possuem vários tipos de geometrias (circular,

retangular, octogonal, etc.) (CAPUTO, 1987);

Figura 6 - Sapata Isolada.


Sapata Associada: geralmente ocorre quando se tem pilares

suficientemente próximos, onde suas sapatas interferem de

maneira significativa uma sobre a outra. Para que isso não ocorra,

é necessário criar uma associação entre as sapatas próximas. Essa

associação permite que a sapata trabalhe com tensão constante

(CAPUTO, 1987), permitindo uma maior distribuição das cargas

no solo (figura 7);

25

Figura 7 - Sapata Associada.


Sapata de Equilíbrio: é bastante utilizada, quando há um

obstáculo (desnível, rocha), havendo necessidade de criar uma

viga que ligue as duas sapatas, de modo que um pilar absorva o

momento resultante do desalinhamento do outro pilar (BRITO,

1987). (Figura 8);

Figura 8 - Sapata de Equilíbrio.


o Baldrame: são responsáveis pela transmissão de uma carga distribuída

linearmente em um muro, parede ou de uma fileira de pilares (CAPUTO,

1987). Bastante utilizadas em construções de residências simples, onde

as cargas não sejam muito grandes, geralmente sendo construídas de

alvenaria de tijolos (figura 9), (MELHADO, 2002);

26

Figura 9 - Baldrame.


o Estacas

São consideradas peças alongadas com o formato cilíndrico ou prismático

(CAPUTO, 1987), responsáveis por suportar e transferir todos os esforços axiais de

compressão da estrutura para as camadas mais profundas do solo de maneira equilibrada

(PINI WEB, 2011). Segundo a NBR 6122/96, as estacas podem ser pré – moldadas ou

moldadas in loco, onde os principais materiais empregados na sua construção são: aço,

concreto, madeira ou mistos.

As estacas pré – moldadas são construídas e projetadas sob medida, chegando

praticamente prontas ao canteiro de obra para serem cravadas. Os principais tipos de

estacas que se incluem nesta classificação são as estacas metálicas, de madeira e de

concreto pré-moldado.

São bastante indicadas em construções, na qual possuem solos argilosos ou com

lençóis freáticos próximos a superfície (ABEF, 2003). De acordo com a NBR 6122/96

as dimensões na construção deste tipo de estaca podem variar entre 15 cm e 70 cm de

diâmetro e de 3m á 12m de comprimento.

Há vários métodos de instalação das estacas no solo, dando - se destaque ao

método de percussão, onde utiliza – se de pilões de queda livre com o intuito de cravar

a estaca ou o molde no solo.

27

Durante a cravação as estacas podem ser cortadas ou emendadas, mediante as

condições de profundidade da fundação. Este método de cravação possui um elevado

nível de vibração, podendo provocar danos nas edificações vizinhas (ABEF, 2003).

Segundo Caputo (1987), a principal desvantagem das estacas de concreto está no

tempo de cura (cerca de 21 dias após a concretagem), comprimento limitado sendo

necessário realizar emendas metálicas, sua logística, o grande consumo de aço (em

casos de concreto armado) e consequentemente seu elevado custo.

Segundo a NBR 6122/96, as estacas moldadas in loco “são executadas

enchendo– se de concreto, perfurações previamente executadas no terreno, através de

escavações ou de deslocamento do solo pela cravação de soquete ou de tubo de ponta

fechada”. As fundações moldadas mais utilizadas são as estacas Strauss, Franki e Raiz.

As estacas do tipo Strauss (figura 10), pode ser executada em concreto simples

ou armado, moldada in loco, com revestimento metálico ou recuperável. Apresenta alta

simplicidade e leveza nos equipamentos e execução, tornando- a favorável para o uso

em obras onde o solo é frágil, evitando danos futuros às edificações vizinhas (FX

SONDAGENS, 2011).

Figura 10 - Execução da Estaca Strauss: (a) escavação; (b) limpeza do furo; (c)

concretagem após colocação da armadura; (d) estaca pronta.

Fonte: VELLOSO (2011).

Segundo Melhado (2002), o processo de execução da construção da estaca se

inicia na perfuração do solo com um soquete entre 1,0 e 2,0 m de profundidade,

28

colocando um tubo dentado (coroa) na extremidade inferior. Em seguida começa o

processo de aprofundamento do furo através de golpes sucessivos da sonda de

precursão, retirando– se assim o solo abaixo do tubo dentado, a cada 2,0 a 3,0m de

aprofundamento do furo, acrescenta– se tubos de aço rosqueáveis entre si. Em seguida

começa o processo de concretagem, onde na medida em que o concreto vai sendo

bombeado para o furo os tubos de aço conectados vão sendo retirados através de um

guincho manual.

Contudo sendo bastante simples o modelo de construção da estaca, deve– se

atentar a alguns cuidados especiais, como em caso de se estar trabalhando abaixo do

lençol freático, evitando assim a entrada de água no molde (CAPUTO, 1987).

As estacas tipo Franki (figura 11) caracterizam– se pelo processo de cravação do

tubo no solo (CAPUTO, 1987) e por possuírem uma base bastante alargada,

introduzindo uma pequena quantidade relativa de grãos ou concreto, (também chamado

de “bucha”), através do golpeamento de um pilão (NBR 6122, 1996), aumentando assim

a compactação do solo e consequentemente a sua resistência a absorção de cargas

(FRANKI, 2011).

Sua principal desvantagem está, na vibração provocada durante a cravação,

podendo acusar problemas em construções vizinhas e seu o alto custo no transporte e

manuseio dos equipamentos FRANKI [s.n].

Figura 11 - Sequencia de Execução da Estaca Tipo Franki.


29

A estaca hélice contínua é bastante utilizada em terrenos coesivos e arenosos

tendo ou não lençol freático, ou quando o solo possui uma camada resistente a índices

SPT superiores a 50 (CONSTRUÇÃO MERCADO, 2011). Suas principais vantagens

estão no seu baixo índice de vibrações e ruídos, na sua velocidade de execução

(permitindo de 200 m a 400 m de perfuração por dia), diminuindo assim o seu custo por

metro de execução (GEYER, 2011).

A perfuração se dá pela rotação de um trado helicoidal com um tubo central

vazado alcançando a profundidade desejada (figura 12). Uma vez atingida a

profundidade, é iniciada o processo de concretagem, onde na medida em que o concreto

é injetado as hélices são retiradas lentamente, garantindo a retirada de todo o cascalho.

Há sempre um cuidado de garantir que a ponta do trado tenha atingido um solo que

permita a formação da bucha e que a velocidade de retirada do trado esteja sempre de

forma que haja sobre excesso do consumo de concreto, garantindo o total

preenchimento da estaca (GEOCOMPANY, 2003).

Figura 12 - Processo de Perfuração e Concretagem da Estaca Hélice Contínua.


Em seguida é realizada a introdução da armação de ferro, podendo ser colocada,

tanto por gravidade, compressão de um pilão, ou por vibração (GEOCOMPANY,

2003). Em casos de armações longas (gaiolas), deverão ser feitas de barras de aço

30

grossas e estribo espiral soldado na armação, com o intuito de evitar a sua deformação

na medida em que é colocada no fuste da estaca (ENGENHARIA, 2011).

3.3 TIPOS DE FUNDAÇÕES DE AEROGERADORES ON-SHORE

Existem basicamente dois grandes grupos de fundações de aergeradores, que

variam de acordo com dois possíveis posicionamentos do aerogerador em relação a

necessidade de captação de energia. As fundações podem ser do tipo:

o On - Shore (na terra);

o Of - Shore (no mar);

Neste trabalho serão abordadas apenas as fundações do tipo On - Shore, devido

sua grande aplicação em todo o Brasil e principalmente no Rio Grande do Norte.

Segundo Svensson (2010), há muitas variações de fundações de aerogeradores

on-Shore, esta diversidade se dá devido a grande variação de solo por região. Busca-se

adaptar ao projeto uma fundação mais eficiente, segura e econômica, ocasionando assim

verificações de dimensionamento diferentes em função do tipo de solo.

Existem basicamente dois tipos de fundações On-Shore: As fundações

espalhadas (fundações rasas) e as fundações apiloadas (fundações profundas). Estas

fundações consistem em um grande bloco de concreto que possui a função única de

transmitir todas as cargas atuantes no sistema estrutural para o solo, cargas estas

ocasionadas devido à ação do vento e do peso próprio (SVENSSON, 2010).

Fundações Rasas ou Espalhadas

Consiste em uma grande placa ou uma sapata gigante, geralmente cilíndrica ou

prismática, assentada sobre a superfície do solo transmitindo as cargas atuantes para o

solo. Quanto maior a área de contato com o solo menor será a pressão exercida sobre

ele. Sendo assim pode-se limitar sua área de modo que a pressão transmitida não exceda

a pressão máxima permitida ao solo, evitando-se assim o colapso e consequentemente o

tombamento da torre (SVENSSON, 2010).

Svensson, ( 2010), recomenda este tipo de fundação, para solos fortes e rígidos

que possuem um elevado ângulo de atrito, que não sofrem muito recalque, não sendo

recomendado em solos argilosos, argilo-siltosos, orgânicos ou qualquer outro solo com

baixo módulo de elasticidade.

31

As cargas transmitidas à base de fundação (compressão, cisalhamento e flexão),

devem ser verificadas uma a uma, dimensionando a peça estrutural de concreto,

objetivando atender as condições mínimas de resistência do concreto e do solo. Essas

cargas são transmitidas através de um anel que faz a ancoragem da torre com a base da

fundação (SVENSSON, 2010). As fundações espalhadas podem ser subdivididas em:

o Fundação Superficial

Essa fundação possui uma área de contato muito grande, o que reduz a pressão

transmitida ao solo, buscando assim evitar o tombamento da torre.

Esse tipo de fundação tem uma vantagem de facilidade de construção, isso se da

devido à necessidade de pouca escavação realizada na sua execução, uma vez que a sua

base se encontra praticamente na superfície do solo. A figura 13 mostra um exemplo de

fundação superficial. Sua desvantagem, é que devido o elevado tamanho do bloco, há

um grande consumo de concreto (SVENSSON, 2010).

Figura 13 - Esquema de uma fundação superficial de uma aerogerador.

Fonte: SVENSSON (2010).

o Fundação de Gravidade

Segundo Svensson, (2010), esta fundação se caracteriza por estar a uma cota

mais baixa do solo, o que necessita de um maior movimento de terra. Pode ser indicada

em casos de solos fortes e rígidos que possuem uma camada superior com uma baixa

resistência relativa (solo mole), ficando inviável assentar um bloco de área

32

extremamente grande. Sendo indicado retirar a camada de solo de baixa resistência e

assentar o bloco sobre o solo de maior resistência.

Este tipo de fundação tem a vantagem de se poder utilizar uma menor área de

contado com o solo (uma vez que o solo resiste melhor às cargas atuantes), reduzindo

assim o consumo de concreto, porém se é necessário realizar grandes escavações e

elevada mão de obra, se comparado com a fundação superficial. A figura 14 mostra um

exemplo de fundação de gravidade.

Figura 14 - Esquema de fundação por gravidade.

Fonte: SVENSSON (2010).

Fundações Profundas

Este tipo de fundação é recomendado em solos que possuem grandes camadas de

baixa resistência, ou seja, sua tensão admissível é menor do que a tensão de projeto,

tornando economicamente inviável realizar escavações para se alcançar uma camada

resistente, sendo uma boa solução executar estacas ou tirantes, objetivando transmitir as

cargas para uma camada suficientemente resistente às cargas aplicadas (SVENSSON,

2010).

O bloco de coroamento terá a finalidade de transmitir as cargas atuantes na torre,

para as estacas ou tirantes, que por sua vez resistirão aos esforços solicitantes e

transmitirão as cargas de tração e compressão, para o solo de considerável resistência.

Os principais tipos de fundações profundas de aerogeradores são:

33

o Fundações sobre Estacas

Bastante utilizado em solos de baixa resistência relativa, onde todas as cargas

são transmitidas para uma camada inferior de resistência considerável, para que possa

resistir às tensões transmitidas (ELFORSK RAPPORT, 2012).

Este tipo de fundação é bastante utilizado no Brasil, uma vez que as maiorias dos

parques eólicos instalados se encontram em regiões litorâneas (a beira mar), na qual o

solo possui baixa resistência devido o elevado nível do lençol freático, levando o seu

ângulo de atrito para quase zero. Neste trabalho será dado ênfase e esse tipo de fundação

(figura, 15), pois como já comentado, é o tipo de fundação mais usual no Brasil e

principalmente no Rio Grande do Norte.

Figura 15 - Fundação Estaqueada.

Fonte: ELFORSK RAPPORT (2012).

o Fundações Ancoradas

Recomenda-se esse tipo de fundação em casos de solos novos, onde a sua rocha

mãe se encontre praticamente visível na superfície, ancora-se tirantes e pilares com

resistência suficientemente grande para transmitir as tensões para a rocha (figura 16).

(ELFORSK RAPPORT, 2012).

34

Figura 16 - Fundação Ancorada.


o Fundações Sobre Tubulão.

Utilizado em casos de torres, extremamente altas (mais de 100m de altura) e

pesadas (geralmente de concreto), onde as cargas são extremamente altas, sendo

inviável o uso de estacas no solo, sendo recomendado se utilizar um ou mais tubulões

para transmitir as cargas (figura 17).

Figura 17 - Fundação Sobre Tubulão.


35

3.4 INFLUÊNCIA DAS CARGAS DEVIDO AO VENTO

Segundo Carvalho, (2009), há vários fatores que influenciam na formação do

vento, sendo praticamente impossível mensurar com exata precisão seus efeitos e

influencias sobre os variados tipos de edificações, onde os efeitos estáticos e

aerodinâmicos são bastante complexos. Levando em consideração essa complexidade,

obtêm-se métodos simplificados, medidos experimentalmente e tratados

estatisticamente, para que se possa determinar a influência das cargas atuantes na

edificação devido à ação do vento.

A NBR 6123/1988, busca simplificar os cálculos de influência do vento, para

torna-los mais práticos no dia a dia de projetistas, onde se percebe coeficientes estáticos

e dinâmicos, que adaptam o valor da velocidade do vento experimental, para a situação

de projeto.

3.4.1 Pressões Dinâmicas do Vento

De acordo com a NBR6123/1988 a pressão dinâmica do vento pode ser

determinada pelo teorema de Bernoulli, que é dado pela equação 3.1:

(

) (3.1)

Onde:

– Pressão dinâmica do vento

- Velocidade característica do vento, dado em condições normais de temperatura

(25°C) e pressão (1 atm.) - (CNTP);

A velocidade característica do vento é analisada em função dos seguintes

fatores:

Local da edificação;

Tipo do terreno (Fator topográfico);

Altura da edificação;

Rugosidade do terreno (tipo e altura dos obstáculos da edificação)

Probabilidades estatísticas de variação da intensidade do vento;

36

Segundo a NBR6123/1988 o calculo da velocidade do vento característico é dado

pela expressão (3.2):

(3.2)

Onde:

– Velocidade básica do vento (em m/s), sendo a máxima velocidade média medida

sobre 3s, que pode ser excedidos pelo menos uma vez a cada 50 anos, a uma altura de

10m sobre o nível do terreno em lugar aberto e plano, podendo ser determinado pelo

gráfico das isopletas dado pela figura 18.

Figura 18 - Isopletas da Velocidade Básica ( em m/s).

Fonte: NBR6118/1988.

Onde:

– Fator topográfico (dependente da topografia da região);

– Fator de rugosidade do terreno (dependente das dimensões da edificação e da

localização);

– Fator estatístico;

37

OBS: Em casos de edificações paralelepídicas a NBR6123/1988 recomenda que se deva

levar em conta a influência das forças devido ao vento agindo perpendicularmente a

cada uma das fachadas de acordo com as especificações dadas na norma e os efeitos

causados devido as influências de edificações vizinhas que provocam esforços de

torção.

Fator topográfico (

Consiste em considerar a variação da topografia da região analisada,

avaliando três situações de variação de relevo:

Terreno Plano ou pouco ondulado;

Talude;

Morros;

As figuras 19 e 20 mostra as três variações de relevo analisadas na

NBR6123/1988.

Figura 19 - Fator topográfico (z) - Morro.


38

Figura 20 - Fator topográfico (z) – Talude.


Ponto A – Terreno plano ou fracamente acidentado ;

Ponto C – Taludes de terrenos planos protegidos, ;

Ponto B – Aclive e consequente aumento da velocidade do vento, o fator é

uma função , calculado de acordo com a variação da sua declividade θ,

obtidos por interpolação linear para valores intermediários de θ. Dados pelas

expressões (3.3), (3.4) e (3.5) ;

, para (3.3)

(

) , para (3.4)

(

) , para (3.5)

Onde:

, é a altura medida apartir da superfície de terreno no ponto considerado;

, é a diferença do nível entre a base e o topo do talude ou morro;

, é a inclinação do talude ou da encosta do morro;

39

Fator de Rugosidade (

Leva em consideração o efeito combinado entre a rugosidade do terreno,

variação da velocidade do vento em função da altura acima do terreno e das

dimensões da edificação ou parte desta.

Rugosidade do terreno

Leva em consideração o nível da presença do número de obstáculos ao

seu redor relacionando-os com o seu tamanho. A NBR7123/1988 divide a

rugosidade do terreno em cinco categorias, que variam de acordo com o nível de

obstáculos presentes na região.

Categoria I – Superfícies lisas de grandes dimensões (mais de 5 km).

Ex: Mar calmo, rios e pântanos sem vegetação;

Categoria II – Terrenos abertos, com poucos e isolados obstáculos de

cota média inferior a 1m. Ex: Campos de aviação, fazendas com

vegetação rasteira, charnecas, etc;

Categoria III – Terrenos planos com obstáculos espaçados, de cota

média de aproximadamente 3m. Ex: Árvores edificações baixas e

esparsas, etc;

Categoria IV – Terrenos cobertos por numerosos obstáculos e pouco

espaçados, com uma cota média do topo dos obstáculos de 10m. Ex:

Bosques com muitas árvores, cidades pequenas e seus arredores,

áreas industriais parcialmente desenvolvidas;

Categoria V – Terrenos cobertos de numerosos obstáculos com cota

mínima igual ou superior a 25m. Ex: Grandes centros de cidades,

complexos industriais desenvolvidos, etc;

40

Dimensões da edificação

A variação da velocidade do vento pode ser calculada em

qualquer intervalo de tempo. Quanto maior o intervalo de tempo usado no

cálculo maior será a distância abrangida pela rajada. Foram escolhidas três

classes para o calculo da velocidade média:

Classe A – Toda edificação ou parte da edificação na qual a maior

dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal, não exceda

20m;

Classe B - Toda edificação ou parte da edificação na qual a maior

dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal, esteja entre

20m e 50m;

Classe C - Toda edificação ou parte da edificação na qual a maior

dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal exceda 50m;

O fator de rugosidade do terreno é calculado em função da altura z, no nível do

terreno, determinado pela expressão (3.6), sendo seus principais parâmetros

determinados pela tabela 1 e tabela 2.

41

Tabela 1 - Valores do fator .

Fonte: Tabela 2, NBR 6123/98 (CARVALHO, 2009).

(

)

(3.6)

Onde:

z - Altura da cota acima do terreno;

- Fator de rajada correspondente a categoria II;

- Parâmetro meteorológico;

- Expoente da lei potencial de variação de ;

42

Tabela 2 - Parâmetros meteorológicos para obtenção do fator .

Fonte: Tabela1, NBR 6123/98 (CARVALHO, 2009).

Fator Estatístico (

Considera o grau de segurança requerido e a vida útil da edificação. O

fator estatístico pode ser determinado pela expressão 3.7.

(

)

(3.7)

Onde é a probabilidade de certa velocidade de vento se excedida pelo menos

uma vez a cada anos. A tabela 3 apresenta os valores mínimos para .

43

Tabela 3 - Valores mínimos para .

Fonte: Tabela 3, NBR 6123/98 (CARVALHO, 2009).

3.5 Coeficiente de arrasto

A NBR6123/1988 determina o coeficiente de arrasto para corpos prismáticos de

seção circular pela tabela 4 ou diretamente pela tabela 5, para seções de comprimento

infinito, que dependem diretamente do regime de fluxo do vento (n° de Reynolds) e das

dimensões geométricas aerodinâmicos do corpo.

Tabela 4. Coeficiente de arrasto para corpo de seção constante e circular.

Fonte: Tabela 10 NBR 6123/98.

44

Tabela 5 - Coeficiente de arrasto para barra prismática de seção circular e comprimento

infinito.

Fonte: Tabela13 da NBR 6123/1988.

Onde o Número de Reynolds pode ser dado pela expressão 3.8:

( em m/s e em m) (3.8)

3.5.1 Força de arrasto

Uma vez determinado a pressão dinâmica do vento e o coeficiente de arrasto,

pode-se então determinar a força de arrasto do vento, que pode ser dado pela expressão

3.9:

(3.9)

Onde:

- Pressão dinâmica do vento;

- Área da projeção ortogonal da edificação , sobre o plano perpendicular à

direção do vento;

- Coeficiente de arrasto do vento;

45

3.6 ESFORÇOS ATUANTES NO SISTEMA DE TORRE EÓLICA

Segundo Nicholson, (2011), as principais cargas atuantes no sistema estrutural

de uma torre eólica são:

Peso próprio da nacele + hélices ( );

Cargas horizontais distribuídas devido ao vento ( );

Peso próprio da torre ( );

Cargas distribuídas devido à influência de equipamentos internos ( );

A figura 21 esquematiza o sistema de cargas atuantes na torre eólica e a figura

22, mostra o sistema vetorial resultante proveniente das cargas atuantes no

sistema.

Figura 21 - Sistema de cargas atuantes na torre eólica.

Fonte: NICHOLSON (2011).

46

Figura 22 - Esforços resultantes provenientes das cargas atuantes na torre.


3.6.1 Cargas horizontais

O vento possui uma grande influência nos esforços horizontais atuantes no

sistema eólico, sendo ele o principal causador de grandes momentos na fundação. A

figura 21 esquematiza teoricamente o comportamento das cargas horizontais (wh)

provenientes da ação do vento, que pode ser dado pela equação (3.10). NICHOLSON

(2011):

(3.10)

Onde:

- Coeficiente de força de arrasto;

– Pressão do vento na altura z;

DAF – Fator de amplificação dinâmica;

de(z) – Diâmetro exterior na altura z;

47

3.6.2 Cargas Verticais

As cargas verticais atuantes no sistema são as cargas provenientes do peso

próprio da torre e cargas proveniente de cargas distribuídas devido à influência dos

equipamentos internos, ( ), (gerador, nacele, caixa multiplicadora, cabos, etc).

NICHOLSON (2011)

As cargas verticais são obtidas pela equação (3.12):

(3.12)

Onde:

A(z) – Área da seção transversal na altura z;

- Peso específico do material da torre;

OBS: As cargas atuantes na fundação são nada mais do que as forças de reação

de todas as cargas atuantes na torre, incluindo o peso próprio do bloco estrutural

dada pela equação (3.13), que deverá ser considerada na verificação do

solo.

(3.13)

- massa total do bloco;

- Constante gravitacional (9,81 m/s2);

3.6.3 Análise da Torre Eólica

Segundo Nicholson, (2011), a análise da torre eólica consiste em determinar os

esforços internos atuantes, bem como as deformações e a influência de momentos de

segunda ordem e as principais tensões internas em seus pontos críticos. (Figura 23)

48

Figura 23 - Análise Criteriosa dos Esforços Internos da Torre.


Forças internas em função da altura z, podem ser dados pelas expressões, (3.14), (3.15),

(3.16) e (3.17):

Compressão:

∫

(3.14)

Esforço cisalhante:

∫

(3.15)

Momento Torçor

(3.16)

Momento Fletor

∫

(3.17)

49

OBS: Como a torre possui um enorme grau de esbeltez, há a necessidade de se

levar em consideração os efeitos de segunda ordem, devido às consideráveis

deformações ocorridas no topo da torre e as cargas verticais de peso próprio da nascele

no topo.

A NBR 6118/2007 recomenda que os esforços globais de segunda ordem devam

ser considerados quando estes esforços forem maiores do que pelo menos 10% dos

esforços de 1° ordem (estrutura de nós móveis).

3.6.4 Efeitos de segunda ordem (coeficiente )

Segundo Franco e Vasconcelos, 1991, como a torre possui seção circular, vazada

e contínua, o sistema de análise de efeito de segunda ordem, , pode ser

simplificado como uma barra engastada como o sistema da figura 24, podendo ser

determinada de forma aproximada o coeficiente de majoração dos esforços globais

finais com relação aos de primeira ordem, , recomendado pela NBR6118-2007.

Figura 24 - Sistema simplificado de barra engastada para verificação de efeito de

segunda ordem simplificado, .

Fonte: FRANCO (1991).

50

Vale ressaltar que o coeficiente possui uma boa aproximação na maioria dos casos

práticos em que , não sendo recomendado aplicar o coeficiente em casos de

cargas verticais que produzem deslocamentos horizontais e quando a estrutura está

submetida a consideráveis esforços de torção. Sendo responsabilidade do projetista,

verificar tais condições. (CARVALHO, 2009)

(3.18)

Onde:

(3.19)

(3.20)

(3.21)

(3.22)

Segundo Carvalho e Pinheiro, (2009), para casos em que , o método não

apresenta boa confiabilidade, sendo recomendado que o projetista enrijeça a estrutura

(até que ), ou que utilize de um método mais refinado e criterioso para análise

do efeito de segunda ordem, como o método de iteração das forças virtuais, o método

, bastante empregado em softwares de calculo estrutural, ou através de uma

análise não linear geométrica rigorosa, sendo, de maior abrangência, porém mais

complexos.

51

3.7 ASPECTOS GERAIS DE PROJETO

O binômio, segurança X economia, são basicamente os principais conjuntos de

variáveis analisadas em projetos estruturais, buscando-se sempre quando possível um

equilíbrio entre eles (LIBÂNIO, 2010)

Nas ultimas revisões da norma NBR 6118/2007, tem se dado ênfase não só na

segurança e economia, mas tem acrescentado o fator de durabilidade nas estruturas,

classificando as regiões em classes de agressividade, objetivando aumentar o período de

vida útil das estruturas. Portando, hoje, os projetos estruturais têm seguido os seguintes

critérios (figura 25):

Figura 25 - Trinômio das principais variáveis para projetos estruturais de concreto

armado.


A norma brasileira NBR 6118/2007 recomenda as principais diretrizes e

procedimentos para projetos de estruturas de concreto.

A segurança sempre deve ser a variável mais importante no projeto, buscando

ponderar todas as variáveis do projeto para torná-la mais econômica e durável possível,

sem que a dimensão da segurança seja posta em um menor patamar de importância.

Existem basicamente dois estados na qual a estrutura está condicionada á

verificação de situações que a esta apresente um desempenho inadequado à finalidade

da construção, ou seja, estados que a estrutura se encontre imprópria para o uso

(LIBÂNIO, 2010).

52

Estes estados são:

Estado Limite Ultimo (ELU)

A estrutura é analisada em situação de colapso ou qualquer outra forma de ruína,

expondo a estrutura em sua máxima capacidade portante, sendo a segurança

diferenciada em relação à capacidade de carga da estrutura. (LIBANIO, 2004).

Estado Limite de Serviço (ELS)

No Estado Limite de Serviço, a estrutura é analisada no seu desempenho com

respeito ao seu uso, comprometendo a sua boa utilização funcional, sendo tanto em

relação aos usuários, quanto aos equipamentos utilizados. (NBR 6118/2007).

3.7.1 Aspectos Estruturais

São levados em consideração aspectos de resistência do sistema estrutural

dimensionado, submetido às cargas consideradas pelo projeto. A NBR 6118/2007,

recomenda que os aspectos estruturais sejam verificados pelo método dos estados

limites, considerando os estados limites últimos (ELU) e os estados limites de serviço

(ELS).

Estado Limite Ultimo (ELU)

Segundo Libânio, (2010), as principais verificações de segurança nos estados

limites último, são:

Colapso estrutural; (FIG. 24 - e).

Ruptura por tração;

Ruptura por compressão;

Ruptura por cisalhamento;

Escoamento excessivo da armadura εs > 1,0%;;

53

Flambagem;

Instabilidade dinâmica;


Segundo Libânio, (2010), os principais exemplos de comprometimento do ELS

são:

Fissurações excessivas;

Deformações excessivas que afetem a estética da estrutura;

Vibrações excessivas que causem desconforto ou danos aos usuários ou

equipamentos;

3.7.2 Aspectos Geotécnicos

Os aspectos geotécnicos, leva em consideração a ligação entre o sistema

estrutural e o solo, onde são verificados os principais tipos de falhas de funcionamento

do sistema de ligação solo-estrutura (SVENSSON, 2010).

Diferentemente dos aspectos estruturais considerados nos projetos, o grau de

incerteza nos aspectos geotécnicos são bastante superiores. Isso ocorre devido às

propriedades heterogêneas do solo, que possui características mecânicas que variam

muito tanto em sua profundidade, quanto em sua extensão, sendo necessária a utilização

de coeficientes de segurança bem maiores do que os considerados nos aspectos

estruturais (VELLOSO, 2011)

As investigações geotécnicas proporcionam a diminuição do grau de incerteza

nos projetos, na qual fornece uma noção das propriedades geológicas e mecânicas do

solo, não extinguindo a probabilidade de ocorrência de surpresas, durante ou depois da

execução das fundações (VELLOSO, 2011).

Segundo Velloso, (2011) e a NBR 6122/2010, os principais aspectos analisados em

projetos de fundações são:

Estado Limite Ultimo (ELU).

Estabilidade “externa”, ou segurança adequada ao colapso do solo de fundação;

54

Perda da capacidade de carga;

Tombamento (Fig. 26 –c);

Ruptura por tração;

Flambagem;

Deslizamento (Fig. 26 –d);

Elevações (Fig. 26 –d);


Ações dinâmicas compatíveis com o uso da obra;

Deformações aceitáveis ao solo em condições normais de trabalho;

Recalques diferenciais (Fig. 26 - a);

Figura 26 - (a) Deformações excessivas, (b) colapso do solo, (c) tombamento, (d)

deslizamento e (e) colapso estrutural.

Fonte: (VELOSO, 2011).

55

4. MATERIAIS E MÉTODOS

Será mostrado os métodos para verificação simplificada para bloco rígido e os

métodos utilizados para verificação de capacidade de carga vertical e horizontal, que

serão implementados no modelo computacional em MS. Excel.

4.1 VERIFICAÇÕES NO PROJETO DE DIMENSIONAMENTO DA

FUNDAÇÃO DO AEROGERADOR

O sistema de fundação estudado será do tipo estacas acopladas em um bloco de

coroamento circular suficiente para resistir às cargas horizontais, verticais e momentos

atuantes. Verificando a resistência dos seus elementos estruturais e a interação solo-

estrutura nos seus estados limites.

4.1.1 Blocos de concreto

Semelhantemente as sapatas, os blocos podem ser dimensionados mediante sua

classificação de rigidez (rígido ou flexível), diferenciando somente devido as ações

concentradas das reações das estacas.

Por questões de eficiência e economia, as dimensões dos blocos dependem quase

sempre da disposição das estacas, buscando-se adotar sempre o menor espaçamento

entre elas. (ALVA, 2007).

O número de estacas recomendadas vai depender da disposição das cargas

atuantes no pilar, da disposição de capacidade, determinado por métodos de capacidade

de carga, que será abordado mais a diante.

Uma vez conhecidas a resistência do concreto e a área da seção transversal da

estaca, é possível determinar o valor de sua carga nominal e por consequência,

conhecendo a força normal atuante no pilar e definindo um tipo de estaca, determina-se

o número de estacas que deverão ancorar no bloco.

56

Modelo das Bielas - Tirantes

O modelo da Bielas-Tirantes é bastante utilizado na verificação de

dimensionamento de blocos rígidos, onde consiste em zonas de concentração de

transmissão de tensões de compressão (bielas) e tração (tirantes), admitindo no

seu interior como uma treliça espacial. (CHUST, 2009)

A figura 27 mostra um modelo de distribuição das tensões sobre bielas e

tirantes em um elemento estrutural rígido obtido por métodos computacionais de

elementos finitos.

Figura 27 - Modelo de Bielas e Tirantes desenvolvido em elementos finitos (ANSYS).

Fonte: MARCHIORI, 2009.

As zonas tracionadas (tirantes) se concentram excencialmente na face

inferior do bloco, onde se é necessário o uso de armaduras nessa região. Já as

zonas de compressão (bielas), é a zona de fluxo de tensões inclinadas no

concreto onde há a transmissão das cargas do pilar para as estacas. (CHUST,

2009)

A figura 28 mostra um modelo simplificado de bielas e tirantes proposto

nos modelos de Blévont e Frémy, onde torna possível o calculo das armaduras

tracionadas (tirante) e as verificações da tensão nas bielas de compressão, tanto

57

na base do pilar quanto na cabeça das estacas, pois são as duas regiões mais

críticas de provável colapso do concreto (CHUST, 2009).

Figura 28 - Modelo de Bielas e Tirantes Simplificado.

Fonte: Imagem do Autor.

É recomendável que se busque ao máximo, simetria, tanto na geometria quanto

na distribuição das cargas do sistema estrutural, para que se possa ter uma maior

simplificação de calculo. (CHUST, 2009).

4.2 DIMENSIONAMENTO DE UM BLOCO DE CONCRETO CIRCULAR

PARA “N” ESTACAS

Existem muitas divergências entre os modelos de cálculo

para o dimensionamento de blocos de coroamento. Os métodos mais utilizados

no país são: Blévot (1962), CEB (1970), ACI (1984) e Bielas e tirantes

(semelhante ao método de Blévot).

A norma Brasileira NBR 6118/2007, não apresenta em seu texto recomendações

para o dimensionamento desse elemento estrutural, apenas o classifica como rígido ou

flexível. Portanto neste trabalho será abordado as recomendações de vários autores

quanto ao dimensionamento de blocos estruturais de concreto armado.

O sistema estrutural em concreto armado rígido da fundação do aerogerador

estudado consiste em um bloco, onde o modelo das bielas e tirantes é como o

apresentado na figura 29.

58

Figura 29 - Modelo tridimensional simplificado de bielas e tirantes para um bloco de

concreto armado rígido circular para n estacas.


Seja o bloco circular de concreto armado rígido com “n” estacas, submetido

principalmente a compressão e a momento fletor como na figura 29, cada estaca sofrerá

uma tensão diferente, na qual será regida pela equação (4.1):

∑ (4.1)

Onde :

- Carga vertical que ocorre na estaca i;

- Esforço vertical de projeto;

n - número de estacas dispostas ao redor do bloco;

- Distância do centro da estaca até o eixo de giro do bloco;

- Momento fletor de projeto na direção y;

59

A equação depende da distância , que será função do ângulo , que por sua

vez dependerá do número de estacas dispostas ao longo do bloco, como descrito nas

equações (4.2) à (4.5).

(

) (4.2)

(4.3)

(4.4)

(4.5)

Onde:

- Ângulo relativo de posição do centro geométrico da estaca em relação ao

centro geométrico do bloco. (Dependente da estaca);

i - Iteração de contagem do número de estacas [1 à n];

d - Distância do centro geométrico da estaca ao centro geométrico do bloco;

D - Diâmetro do bloco;

b’ - Distância da face externa do bloco a face externa da estaca;

- Diâmetro das estacas;

- Carga admissível de capacidade de carga suportada por uma estaca,

determinado por um método de provisão de capacidade de carga;

A figura 30 esquematiza o bloco no eixo x-y e eixo x-z, onde mostra as

principais disposições geométricas das estacas e do bloco de concreto de onde

auxiliaram no desenvolvimento das equações (4.2), (4.3), (4.4).

A tomando como referência a estaca 1, para determinar a coordenada polar ,e

seguindo no sentido horário, até a n-ésima estaca, pode-se determinar precisamente

todas as coordenadas de todas as n-ésimas estacas, que se encontram distribuídas

simetricamente no bloco circular.

60

Figura 30 - Esquema bidimensional do bloco circular de concreto (Eixo x-y; x-z).


Onde:

- Diâmetro da torre;

α - ângulo de inclinação da biela de compressão (entre 45° e 55°);

h - Altura do bloco de concreto;

d’ - Altura útil do bloco;

61

4.3 DIMENSOÕES USUAIS DOS BLOCOS RÍGIDOS SOBRE “N”

ESTACAS

Altura

Segundo a NBR 6118/2007, a altura do bloco deve ser suficiente para

ancorar as armaduras de espera do pilar.

Para que o bloco continue exercendo suas características de rigidez, a

NBR 6118/2007 recomenda que sua altura h seja dada pela expressão (4.5):

(4.5)

Onde como observado na figura 28, é o diâmetro do bloco e o

diâmetro da torre do aerogerador.

O embutimento das estacas sobre o bloco é dado pela diferença entre

altura e a altura útil ( . Delabiera, (2010), recomenda no mínimo um

embutimento de 10 cm.

Ângulo de inclinação das bielas

Segundo Alva, (2007), para que ocorra a transmissão das tensões nas

bielas de maneira eficiente, é recomendado que o ângulo de inclinação das bielas

esteja entre 45° e 55° (expressão 4.6).

(4.6)

Onde da figura 30 obtém-se a equação (4.7):

(4.7)

Altura útil

Para se mantar as condições de rigidez do bloco, a altura útil, devem estar

no intervalo mostrado pela expressão (4.8).

(4.8)

62

Distância entre a face da estaca e a face do bloco

Segundo FUSCO, P.B, (1995), recomenda-se por questões práticas que a

distância mínima da face do bloco a face da estaca deve ser maior ou igual ao

diâmetro da estaca , sendo que na rotina desenvolvida, foi adotada uma

distância mínima de mais 10% de recomendação do professor MSc. John Eloi

Bezerra, dada pela expressão (4.9).

(4.9)

Distância mínima entre as Estacas

Recomenda-se uma distância mínima entre as faces das estacas escavadas

de 2,5 vezes seus diâmetros, como dado pela expressão (4.10) (VELLOSO, 2012).

(4.10)

Observando a figura 30, obtém-se a figura 31:

Figura 31 - Esquema amplificado de distância mínima entre estacas.


63

Onde:

(

⁄ ) (4.11)

Diâmetro mínimo do bloco

O diâmetro mínimo é dado pela expressão (4.12):

+

(4.12)

O modelo da figura 32 mostra a disposição das forças aplicadas sobre o bloco,

bem como o caminho de distribuição das tensões de compressão (bielas), onde será

verificada no calculo a estaca submetida a maior tensão de compressão possível que

atuará, e consequentemente a pior situação para o sistema estrutural, onde será

dimensionada para todas as outras estacas, uma vez que essa carga estará variando ao

longo de toda a circunferência entre uma tensão mínima uma tensão máxima.

Figura 32 - Modelo bidimensional das ações atuantes no bloco de concreto.


64

4.3 VERIFICAÇÃO DA RESISTÊNCIA DE COMPRESSÃO DAS BIELAS

Compressão nas bielas

Segundo Chust, (2009) deve- se verificar as bielas de compressão nas regiões

mais propícias a ruptura do bloco, sendo basicamente duas:

Próximo às Estacas

Segundo Chust, (2009), a tensão de compressão da biela próximo da

estaca pode ser dada pela equação (4.13):

(4.13)

A tensão limite de compressão da estaca pode ser dada pela equação (4.14),

sugerida por Delabiera, (2010), dado por:

( ( (

)) ) [ ⁄ ] (4.14)

Onde:

Próximo a Torre

(4.15)

A tensão limite de compressão da torre pode ser dada pela equação

(4.16), recomendada por Delabiera, (2010):

[ ] (4.16)

65

Onde:

4.4 VERIFICAÇÕES DA TENSÃO DE FENDILHAMENTO

A tensão de fendilhamento substitui a verificação do cisalhamento. Segundo

Delabiera, 2010, a tensão de fendilhamento pode ser obtida pela expressão (4.17):

(4.17)

Onde: a área de biela ( pode ser dada pela derivação das expressões

(4.18) à (4.23).

(4.18)

{

{

(4.23)

Tensão limite de Fendilhamento

De acordo com Delabiera, (2010), a tensão limite de fendilhamento pode

ser dado pela equação (4.24):

66

(

⁄ ) ( ⁄ ) (4.24)

Onde:

;

4.5 VERIFICAÇÃO DOS TIRANTES

A figura 33 mostra a distribuição das tensões de tração sobre a superfície inferior

do bloco de concreto, onde se devem determinar os módulos das tensões de tração Rst e

T’, obtidos na distribuição vetorial das figuras 34 e 35.

As tensões no bloco circular rígido pode ser determinado como uma treliça

espacial de bielas e tirantes, como observado no modelo da figura 29.

67

Figura 33 - Tensões de Tração na Superfície Inferior do Bloco.


A resolução dos esquemas vetoriais das figuras 34 e 35 podem ser

facilmente obtidas pelo equilíbrio das forças em um ponto específico.

68

Figura 34 - Esquema triangular das tensões de tração de Rst.


Onde:

(4.25)

(4.26)

Substituindo (6.26) em (6.25), temos:

(

)

(4.27)

Figura 35 - Esquema Vetorial de Equilíbrio das Forças no Nó Indicado no Plano X-Z.

Fonte: Imagens do autor.

69

Da figura 35, têm-se:

∑

(4.28)

(4.29)

Figura 36 - Esquema Vetorial de Equilíbrio das Forças no Nó Indicado no Plano X-Y.

Fonte: Imagens do autor.

Da figura 36, têm-se:

∑

(4.30)

(4.31)

Substituindo as equações (4.27) em (4.30), obtém-se a equação (4.31):

(4.32)

70

OBS: Observe que como o bloco deve ser rígido, seu ângulo das bielas está

entre 45 e 55º, o que implica que:

(4.33)

Observe também que a equação (4.32) tende a zero quando tende a 45°, o

que resulta em uma tração transversal nula sobre o bloco rígido de concreto,

independentemente do número de estacas que for disposta. Portanto pode-se

concluir que não haverá tração transversal entre as estacas para o bloco circular

rígido, para qualquer que seja o número de estacas escolhido.

Armaduras principais de tração

Como observado na figura 33, têm- se basicamente duas tensões principais de

tração máxima:

Tração Radial (

Tração transversal );

Que por sua vez, determinará as principais armaduras de tração do bloco.

Armadura Radial

(4.34)

Armadura Transversal;

(4.35)

Onde:

(4.36)

(4.37)

71

4.6 CAPACIDADE DE CARGA DO ELEMENTO DE FUNDAÇÃO POR

ESTACA

Uma vez determinado o dimensionamento do bloco estrutural, parte-se para a

verificação da interação solo estrutura, onde serão verificadas as capacidades de carga

do solo tanto a cargas verticais (método de Décourt-Quaresma), quanto a cargas

horizontais (método de Broms).

Segundo a NBR 6122/96, a capacidade de carga de uma fundação profunda,

estaca ou tubulão isolado, é definida como a força aplicada sobre o elemento de

fundação que provoca apenas recalques que a construção pode suportar sem

inconvenientes, oferecendo simultaneamente segurança satisfatória contra a ruptura do

solo ou do elemento de fundação.

Segundo Cintra e Aoki, (2010), capacidade de carga consiste na interação entre

o atrito lateral do fuste e a resistência de ponta da estaca com o solo. Tratando-se a

máxima força de resistência que o sistema pode oferecer para que se tenha a iminência

do recalque incessante da estaca no solo.

A resistência da capacidade de carga pode ser dividida em duas parcelas,

conforme mostra a figura 37:

Figura 37 - Parcelas de resistência constituintes da capacidade de carga do sistema solo-

estaca.

Fonte: (CINTRA E AOKI, 2010).

72

Onde:

é o diâmetro da estaca;

L é o comprimento do fuste;

é a capacidade de carga do sistema;

Resistência Lateral ( );

Resistência de Ponta ( ;

Onde por equilíbrio de forças de obtém a equação (4.35):

(4.35)

Há vários métodos teóricos, empíricos e semi empíricos de estimativa da

capacidade de carga dos solos. Os mais usuais no Brasil são os métodos empíricos de

Aoki - Velloso (1975), Décourt - Quaresma (1978), Teixeira (1996).

Por questões de simplificação, neste trabalho será dada ênfase somente ao

método de Décout - Quaresma, que será o método estudado para o desenvolvimento do

dimensionamento da fundação do aerogerador.

Segundo o método de Décourt - Quaresma resulta na capacidade de carga pela equação

(4.36):

(

) (4.36)

Onde:

- Área de ponta ou base da estaca;

- Perímetro da estaca, suposto constante;

- Estimativa da tensão de adesão ou de atrito lateral;

- Valor médio do índice de resistência à penetração do SPT ao longo

do fuste;

- Capacidade de carga junto à ponta ou base da estaca;

- Valor médio do índice de resistência à penetração na ponta ou base da estaca,

obtido a partir de três valores: o correspondente ao nível da ponta ou base, o

imediatamente anterior e o imediatamente posterior;

- Coeficiente característico do solo (Tabela 06), ajustado por meio de 41 provas de

carga realizadas em estacas pré-moldadas de concreto, obtidos da tabela 06.

73

Tabela 6 - Coeficiente característico do solo C.


Fatores α e β, são fatores em função do tipo de estaca e do tipo de solo, obtidos

da tabela 07 e 08.

Tabela 7 - Valores do fator α em função do tipo de estaca e do tipo de solo.


Tabela 8 - Valores do fator β em função do tipo de estaca e do tipo de solo.


74

Capacidade de Carga Admissível

Deve-se satisfazer a verificação da capacidade de carga horizontal, onde a

capacidade de carga deverá ser menor ou igual à carga admissível. Dado pela expressão

(4.37):

{

(4.37)

OBS: Caso a estaca esteja submetida a tração, pode-se estimar a capacidade de carga do

solo a tração em 70% da metade da resistência lateral da estaca .

4.7 CAPACIDADE DE CARGA TRANSVERSAL DO SOLO

SOBRE ESTACAS

Há vários métodos aplicados para análise de ruptura do solo quanto à disposição

de carregamentos verticais, dentre eles se destacam: Método de Hansen, Método de

Broms, métodos numéricos baseados na teoria da elasticidade (VELLOSO,2009).

Por questões de simplificação este trabalho dará ênfase somente no método de

Broms, que será o método estudado para verificação de dimensionamento da fundação

do aerogerador.

4.7.1 Método de BROMS

Segundo Velloso, (2009), o método consiste em analisar o comportamento das

estacas em solos coesivos (argilas na condição não drenada) e solos não coesivos

(areias), apresentando critérios para calculo de estacas carregadas transversalmente.

Broms aborda os principais mecanismos de ruptura das estacas nos solos pela

figura 38

75

Figura 38 - Principais mecanismos de ruptura de uma estaca abordados pelo método de

Broms.

Fonte:(VELLOSO,2009).

Onde em 38.d e 38.a, as estacas são de grande comprimento e rompem com a

formação de uma ou duas rótulas respectivamente. E as estacas curtas tendem a romper

quando a resistência do terreno for vencida (38.b, 38.c, 38.e) (VELLOSO, 2009)

4.7.2 Coeficientes de majoração e de redução

Segundo Alonso, (1989), devido às imprecisões na determinação das cargas, das

propriedades do solo e do método de calculo, o método de Broms utiliza de coeficientes

de majoração das cargas e de redução da resistência.

De acordo com Velloso, (2009), valores indicados são:

Majoração dos esforços:

Cargas Permanentes – 1,5;

Cargas acidentais – 2,0;

Profundidade de erosão: 1,25 a 1,5;

Redução das resistências:

Coesão de projeto – 0,75c;

de projeto = ;

76

Resistência lateral na ruptura

As figuras 39, 40, 41, 42 mostram os principais casos de ruptura para os

principais tipos de estacas (curta, intermediária e longa), bem como suas

reações de apoio de ruptura e os momentos fletores de ruptura de maneira

simplificada determinados pelo método de Broms (ALONSO, 1989).

Figura 39 - Mecanismo de ruptura para estaca curta livre.

Fonte: (ALONSO, 1989).

Figura 40 - Mecanismo de ruptura para estaca curta engastada.


77

Figura 41 - Mecanismo de ruptura para estaca intermediéria.


Figura 42 - Mecanismos de ruptura para estacas longas, livres e engastadas na ponta.


Onde:

d - Diâmetro ou largura da estaca;

– Coeficiente de empuxo passivo;

– Resistência da coesão não drenada;

- Peso específico do solo;

78

Na figura 42 a profundidade dependerá do tipo de solo, onde:

Para solos coesivos

(4.38)

Para solos não coesivos:

√

(4.39)

Onde é a carga horizontal de ruptura, que podem ser obtidos pelos ábacos

nas figuras 43 ou 44, para solos não coesivos. E nas figuras 45 e 46 para solos coesivos

obtidos em Alonso, 1989.

Entra-se com a relação

no ábaco da figura 43 ou 44, e obtém-se a carga de

ruptura , onde é o momento de ruptura do material da estaca. E entra-se com a

relação

na figura 45 ou 46 e obtém-se a carga de ruptura . Onde L é o comprimento

do fuste da estaca (ALONSO, 1989)

Obtendo-se assim dois valores de , onde será escolhido o menor valor dos

dois.

Uma vez obtido a menor carga de ruptura , esta deverá ser maior do que a

carga horizontal sobre a estaca .

No modelo, foi feita uma interpolação linear dos ábacos, para se obter uma

maior agilidade de obtenção dos dados. Esta interpolação, foi obtida das planilhas de

rotinas de engenharia do professor M.Sc John Eloi Bezerra e adaptada para a planilha de

calculo desenvolvida.

79

Figura 43 - Ábaco de capacidade de carga lateral para solos não coesivos (1° maneira).


Figura 44 - Ábaco de capacidade de carga lateral para solos não coesivos (2° maneira).


80

Figura 45 - Ábaco de capacidade de carga lateral para solos coesivos (1° maneira).


Figura 46 - Ábaco de capacidade de carga lateral para solos coesivos (2° maneira).


81

5. RESULTADOS DE DISCURSÃO

Como mostrado, foi desenvolvida uma rotina computacional em MS. Excel,

onde busca fazer as principais verificações de segurança e econômica, tanto

estruturais quanto geotécnicas, para um projeto de fundações de aerogeradores on-

shore. A seguir será mostrado os principais dados de entrada, onde suas unidades

estarão mostradas em sua interface. Posteriormente, será mostrado um exemplo

hipotético de engenharia, mostrando algumas das inúmeras possíveis soluções de

dimensionamento, ficando a cargo do usuário, prezar pela situação mais econômica

mediante suas limitações de projeto.

Vale ressaltar que a rotina computacional aqui abordada, não considera efeitos

dinâmicos provocados pela ação do vento e das hélices e dos demais sistemas que

possam causar vibrações na torre eólica, nem o dimensionamento estrutural das

estacas.

5.1 RECOMENDAÇÕES PARA O USUÁRIO DA ROTINA

COMPUTACIONAL

A rotina de implementação computacional simplificada para o desenvolvimento

de projetos de aerogeradores on-shore, consiste basicamente em determinar de maneira

rápida as prováveis dimensões mínimas que atendam as principais verificações

estruturais para blocos armados rígidos utilizando o método das bielas e tirantes, bem

como as principais verificações geotécnicas de capacidade de carga vertical e horizontal

das estacas, utilizando os métodos de Décourt – Quaresma e o Método de Broms,

respectivamente.

Página inicial

A figura 47 mostra a interface inicial da rotina desenvolvida, onde destaca-se a região

de acesso direto as peincipais planilhas através de botões..

82

Figura 47-Interface inicial da rotina computacional desenvolvida.

Fonte: Autoria Própria

Parâmetros do solo

Com a planilha “Dados do Solo (SPT)” (figura 48), segue-se os seguintes passos:

a. Entra-se com os dados da sondagem, onde se determina o tipo de solo,

como mostrado na coluna “Camada”, onde estes dados estão limitados

somente aos principais tipos de misturas de areias, siltes e argilas, não

interessando para a planilha parâmetros adicionais de classificação do

material em cada camada. Observe que as camadas estão limitadas a cada

metro de profundidade, deixando a cargo do projetista o bom senso

quanto ao arredondamento das camadas;

b. Entra-se com os parâmetros de NSPT (que estão limitados em até 50

golpes, devido a limitação do método de Décourt – Quaresma), ou seja,

se houver um número acima de 50 golpes na sondagem, entra-se com

valores de 50 no NSPT;

83

c. Entra-se com os valores do nível d’água no solo estudado obtido pelos

dados da sondagem;

d. Entra-se com os valores do tamanho da estaca escolhida peo projetista,

mediante as condições analisadas do solo.

e. Analisando as camadas do solo pode-se determinar o tipo de solo,

escolhendo entre “solo coeso” e “solo não coeso”, dado que será

importante para a determinação da capacidade de carga horizontal pelo

método de Broms.

OBS: É importante que a estaca possua o comprimento do seu fuste igual ou menor do

que as camadas determinadas na sondagem, caso contrário o programa não conseguirá

determinar a capacidade de carga vertical.

84

Figura 48-Parâmetros de entrada do solo.


85

Capacidade de Carga Vertical

O método escolhido para a determinação de capacidade de carga vertical

foi o método Décourt-Quaresma onde se obtém a resistência do solo admissível

como indicado na figura 49.

Figura 49-Planilha de previsão de capacidade de carga por Décourt-Quaresma.


86

Capacidade de Carga Horizontal

Para a determinação da capacidade de carga horizontal foi adaptada uma

rotina computacional desenvolvida pelo professor MS.c John Eloi Bezerra, onde

foi feita uma interpolação numérica dos ábacos obtidos de Alonso (1989), onde

automatiza o processo com apenas entrada dos seguintes dados (figura 49):

a. Entra-se uma estimativa do momento resistente da estaca, uma vez,

que não ainda foi desenvolvida a planilha de dimensionamento de

estacas a flexocompressão;

b. Entra-se com parâmetros do solo obtidos por ensaios geotécnicos

complementares de coesão, ângulo de atrito e peso específico, ou

uma vez não se obtendo esses dados, pode se estimar de maneira

conservadora, para se obter uma noção da situação de interação solo-

estrutura com relação ao comportamento de esforços horizontais, o

que não é recomendado que seja feito, pois tais parâmetros

conservadores, podem até inviabilizar o custo da fundação;

c. Entra-se com a distância que a estaca permanecerá fora do solo. Pode

ser determinado pelo embutimento da estaca no bloco de

coroamento;

d. Entra-se com todos os parâmetros de coeficiente de segurança

determinados por norma;

e. A saída da capacidade de carga horizontal do solo que dependerá do

tipo de solo, determinado inicialmente no “passo 5” dos parâmetros

de entrada do solo;

Figura 50-Planilha de previsão de capacidade de carga horizontal por Broms.

87


88

Bloco de Coroamento

No bloco de coroamento, há várias possibilidades de obtenção de um

resultado satisfatório, onde nesta rotina, serão feitos todas as verificações

estruturais de concreto para um bloco rígido, obedecendo o modelo das bielas e

tirantes para bloco circular com “N” estacas, como adotados neste trabalho.

Os passos para a determinação dos parâmetros são:

a. Entra-se com os esforços de projeto possíveis (momento, esforço

vertical e esforço horizontal) atuantes no sistema da fundação

transmitido pela torre eólica;

b. Entra-se com as possibilidades de geometrias iniciais do sistema

(diâmetro da torre e diâmetro do bloco), onde o diâmetro da torre está

limitado variar de 1m à 10m, com alteração incremental de 20 em 20

cm e o diâmetro do bloco de coroamento que estará limitado de 4 à

20m com alteração incremental de 5 em 5 cm;

c. Entra-se com o diâmetro comercial das estacas distribuídas ao longo

do bloco de coroamento circular, na qual varia de 35 à 100 cm;

d. Entra-se com o número gradual de estacas distribuídas

uniformemente no bloco circular, onde está limitada a um valor

mínimo de capacidade de carga do solo, e um valor máximo de

distância mínima permitida entre as faces das estacas, como já

abordado neste trabalho. A rotina fará automaticamente uma alerta ao

usuário de tais verificações;

e. Saída dos dados da estaca mais solicitada a compressão no sistema de

fundação, submetendo a situação a verificação de capacidade de

carga do solo, como abordado anteriormente;

89

f. Caso existam estacas submetidas à tração, surgirá a estaca que se

encontra sofrendo o maior esforço de tração, na qual também se

verificará a resistência do solo a tração, como abordado

anteriormente;

g. Entra-se com os parâmetros de resistência do concreto aplicado no

bloco, que sofrerá variação de 30 á 35 Mpa, onde será verificada a

resistência do concreto a compressão devido às bielas;

h. Saída das áreas principais de aço nas seções transversais e radiais,

ressaltando que para o modelo adotado de bloco circular rígido, não

há tensões de tração na seção transversal (entre as estacas), o que

consequentemente não á área de aço disponível, ficando somente

aplicadas por questões construtivas. A área de aço radial estará

distribuída radialmente ao longo do arco mostrado na figura da

planilha da figura 50;

90

Figura 51-Verificação estrutural do bloco de concreto circular rígido para “n” estacas.


91

Tabelas de Auxílio

Tabelas utilizadas para auxílio de calculo, obtida por vários. Figura 51

Figura 52-Tabelas de auxílio de cálculo.

Fonte: Autoria própria

92

Abaco Interpolado

Planilha de auxílio com ábaco interpolado do método de Broms, para

resolução do método de capacidade de carga horizontal do solo. (Figura 52)

Figura 53-Tabelas de auxílio de cálculo.

Fonte: Autoria própria

93

5.2 RESOLUÇÃO DE UM EXEMPLO HIPOTÉTICO DE ENGENHARIA PARA

VERIFICAÇÃO DE CAPACIDADE DE CARGA E DIMENSIONAMENTO DO

BLOCO ESTRUTURAL CIRCULAR PARA “N” ESTACAS

Como dados de entrada dos parâmetros do solo, pode-se obter de uma sondagem

realizada em um determinado parque eólico do estado do Rio Grande do Norte.

(ANEXO I).

–

Os parâmetros do solo, momento resistente, e coeficientes de segurança, podem

estimados, uma vez que não se obtém por completo todos os dados possíveis do solo

estudado.

–

– ;

;

–

– ;

Para os coeficientes de segurança, podem ser estimados:

– ;

– ;

– ;

– ;

Os esforços de projetos foram obtidos por um trabalho desenvolvido por Albano L.D

(2010), onde estima os principais esforços atuantes sobre a fundação de aerogeradores.

–

–

Segundo Albano (2010), os esforços horizontais praticamente se tornam

desprezíveis uma vez que os maiores esforços atuantes são os verticais e momentos

fletores, porém adotaremos uma estimativa de 20 kN de esforço vertical, para se

verificar a capacidade de carga horizontal do nosso problema.

94

OBS: Vale ressaltar que devido à possibilidade de rotação da nacele em relação ao eixo

horizontal em busca da melhor posição de captação de vento, não há necessidade de se

considerar os esforços de torção na estrutura.

Concreto adotado de 30 Mpa.

Entrando com todos estes dados na rotina computacional, pode-se variar o

diâmetro D do bloco, variar o diâmetro e o número das estacas hélice que se deseja

utilizar desde que satisfaça todas as condições necessárias para o bloco rígido de

concreto e para o solo. Fazendo a combinação dessas variáveis, procura-se obter a

situação que possua um menor consumo de concreto do bloco, um menor número de

estacas, e uma menos área de aço radial.

O anexo II mostra algumas tabelas com 6 possíveis soluções, onde variando o

diâmetro do bloco e das estacas, pode-se obter amenor área de aço distribuída

radialmente, bem como o volume de concreto consumido para a situação escolhida.

Vale ressaltar que as possíveis soluções obtidas no anexo II, são apenas algumas das

varias possíveis soluções obtidas para a situação dada como exemplo.

95

6. CONCLUSÕES

Apesar da falta de uma norma regulamentadora para verificação de blocos

estruturais de concreto armado, puderam-se realizar as verificações de

dimensionamento, utilizando recomendações de vários autores nacionais e

internacionais.

Observou-se que para o modelo do bloco circular rígido adotado, as tensões

transversais são nulas, uma vez que as tensões transversais são iguais às cargas

máximas de reação que atuam na estaca mais solicitada, tanto comprimida quanto

tracionada, como observado na equação 4.31.

A implementação computacional em MS. Excel para rotinas de engenharia se

mostra extremamente eficiente no cotidiano de um engenheiro, auxiliando a encontrar

soluções mais precisas em um tempo hábil, com simples uso da logica matemática, lhe

proporcionando possibilidades de melhor escolha de suas dimensões, mediante a

necessidade do projeto.

96

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100

ANEXO 1 – Exemplo de sondagem realizada em um solo para

instalação de um aerogerador.

Fonte: Dois a Engenharia

101

ANEXO II – Tabelas de alguns resultados obtidos do exemplo

hipotético de engenharia.

102


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Implementação Computacional Simplificada para Verificação de