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
CHARLES PEREIRA CHAVES
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
CHARLES PEREIRA CHAVES
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.
Fonte: Autoria Própria.
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.
Fonte: Autoria Própria.
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.
Fonte: Autoria Própria.
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.
Fonte: Autoria Própria.
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.
Fonte: VELLOSO (2011).
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.
Fonte: VELLOSO (2011).
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.
Fonte: ELFORSK RAPPORT (2012).
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.
Fonte: ELFORSK RAPPORT (2012).
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.
Fonte: NBR6118/1988.
38
Figura 20 - Fator topográfico (z) – Talude.
Fonte: NBR6118/1988.
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.
Fonte: NICHOLSON (2011).
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.
Fonte: NICHOLSON (2011).
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.
Fonte: Autoria Própria.
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;
Estado Limite de Serviço (ELS)
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);
Estado Limite de Serviço (ELS)
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.
Fonte: Autoria Própria.
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).
Fonte: Autoria Própria.
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.
Fonte: Autoria Própria.
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.
Fonte: Autoria Própria.
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.
Fonte: Autoria Própria.
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.
Fonte: Autoria Própria.
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.
Fonte: (CINTRA E AOKI, 2010).
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.
Fonte: (CINTRA E AOKI, 2010).
Tabela 8 - Valores do fator β em função do tipo de estaca e do tipo de solo.
Fonte: (CINTRA E AOKI, 2010).
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.
Fonte: (ALONSO, 1989).
77
Figura 41 - Mecanismo de ruptura para estaca intermediéria.
Fonte: (ALONSO, 1989).
Figura 42 - Mecanismos de ruptura para estacas longas, livres e engastadas na ponta.
Fonte: (ALONSO, 1989).
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).
Fonte: (ALONSO, 1989).
Figura 44 - Ábaco de capacidade de carga lateral para solos não coesivos (2° maneira).
Fonte: (ALONSO, 1989).
80
Figura 45 - Ábaco de capacidade de carga lateral para solos coesivos (1° maneira).
Fonte: (ALONSO, 1989).
Figura 46 - Ábaco de capacidade de carga lateral para solos coesivos (2° maneira).
Fonte: (ALONSO, 1989).
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.
Fonte: Autoria Própria
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.
Fonte: Autoria Própria
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
Fonte: Autoria Própria
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.
Fonte: Autoria Própria.
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
Fonte: Autoria Própria