Carlos Alberto Silva FlôresEngenheiro do Departamento de Projetos de Engenharia da CERJ

Endereço: Praça Leoni Ramos, 1, 6º andar, bloco 2, São Domingos – Niterói/RJCEP 24210-200 – Tel. 21 613-7645 - FAX 21 613-7143 – e-mail cflores@cerj.com.br

GLT/019

21 a 26 de Outubro de 2001Campinas - São Paulo - Brasil

GRUPO III

GRUPO DE ESTUDO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO

ESTACAS METÁLICAS HELICOIDAIS COMO ELEMENTOS DE FUNDAÇÃOPARA TORRES DE LINHA DE TRANSMISSÃO

CARLOS ALBERTO SILVA FLÕRES ROBERTO DOLABELLA DE ABREU DUARTEFRANCISCO GRIS LIBERATO MARCOLINO JOSÉ INÁCIO GOMES

CIA. DE ELETRICIDADE DO RIO DE JANEIRO - CERJ VÉRTICE ENGENHARIA LTDA.

RESUMO

O objetivo deste trabalho é apresentar a soluçãotécnica utilizada pela CERJ, nas fundações da LTABADIA/SANTA CLARA 69 kV ( estacas metálicashelicoidais ), destacando os principais problemasencontrados, bem como os resultados obtidos com aadoção desta tecnologia.

PALAVRAS-CHAVE: Estacas, fundações, helicoidais

1.0 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DA LT

A LT ABADIA/SANTA CLARA possui as seguintescaracterísticas:

- Tensão: 69 Kv;- Circuito Simples;- Extensão: 26 km;- Vão médio: 400 m;- Utilizadas 71 torres metálicas, com a seguintedistribuição:

04 CF (25m/ancoragem até 60º/terminal – 1 circuito);02 FA (20m/ ancoragem até 60º/terminal – 1 circuito);07 SA (26m/ancoragem até 15º - 1 circuito);54 S2 (26m/suspensão em alinhamento – 1 circuito);03 A (26m/ancoragem até 45º/terminal – 2 circuitos);01 D (26m/ancoragem até 15º - 2 circuitos).

- Cabo condutor: 266,8 MCM-CAA (Partridge);- Cabo pára-raios: 5/16” HS – aço galvanizado;- Traçado: desenvolve-se ao longo de uma região deplanície, com características geológicas típicas debacia sedimentar.

2.0 CARACTERÍSTICAS DO SOLO

Foram realizadas sondagens à percussão em todas astorres da LT, cujos resultados revelaram um solo típicode aluvião, com a presença de uma camada de argilaplástica orgânica, confirmando as estimativas iniciaisda CERJ, que previam fundações especiais para todasas torres da LT.

3.0 OPÇÕES DE FUNDAÇÕES ESPECIAIS

Considerando o resultado da sondagem analisou-se asseguintes opções de fundações especiais:

3.1 Sapatas ou tubulões em concreto armado

Seriam inviáveis nos casos onde o NA estivesseelevado ou aflorada a camada de argila orgânica. Nosdemais casos o maior problema seria o prazo deexecução, já que esta soluções implicam em grandesvolumes de concreto moldados na obra.

3.2 Estacas em perfis metálicos I 10”

Esta era a solução prevista inicialmente no contrato, econstitui-se na solução mais adotada pela CERJ emsituações análogas. Entretanto, impedimentos jurídicosligados à liberação da faixa de domínio da LT ,reduziram sensivelmente o tempo disponível para aconstrução das fundações, tendo em vista o prazolimite para a energização da obra. Isto implicava naobrigatoriedade em se mobilizar vários bate-estacas eequipes de concretagem simultaneamente, e aindaassim a dificuldade de coordenação de tantas frentesde trabalho poderia comprometer a conclusão de todasas fundações a tempo.

3.3 Estacas metálicas helicoidais

2

Este método foi sugerido pela EGEL, empresacontratada pela CERJ para a construção da LT, eoferecia as seguintes vantagens em relação ao sistemade estaqueamento convencional:

- Facilidades na mobilização e deslocamento doequipamento de cravação;

- Redução no tempo de execução do estaqueamento;

- Possibilidade de montagem das torres logo após aconclusão do estaqueamento;

- Redução nos custos das fundações, em relação àprevisão original do contrato.

4.0 CONSIDERAÇÕES ESPECÍFICAS SOBRE OMÉTODO

Com o interesse despertado pela vantagens acimarelacionadas, a CERJ solicitou da EGEL maioresinformações sobre o método, quando então foiapresentada a empresa VÈRTICE ENGENHARIALTDA., empresa que seria responsável pelo projeto eexecução das fundações da LT.A VÉRTICE promoveu palestras com o objetivo deesclarecer o método, onde foi apresentado o materialtécnico que resumimos a seguir.

4.1 Produtividade elevada na execução de fundações eancoragens

Comparado aos tradicionais métodos, as EstacasMetálicas Helicoidais oferecem inúmeras vantagenscomo economia de material, equipamentos e tempo deexecução.Com este sistema é possível executar de uma a duasfundações de torre auto-portante por equipe/dia. Énecessário apenas um equipamento com um sistemahidráulico para prover o torque e a rotação adequados,adaptadores e indicador de torque (torquímetro).Equipamento para instalação de uso comum(retroescavadeiras, escavadeiras, caminhão comguindauto, etc...), utilização de pouca mão de obra (03homens por equipe), rapidez de execução, resultadosprevisíveis, montagem da torre imediatamente após aexecução da fundação, não agressivo ao meioambiente, independente das condições climáticas, semescavações ou retirada de resíduos de material ousolo, etc.., são algumas das vantagens do SistemaVértice de Estacas Helicoidais.As fundações helicoidais podem ser instaladas emqualquer tipo de terreno, incluindo taludes, pântanos,terrenos alagados, terrenos arenosos ou argilosos.

4.2 Projetadas para ter adaptabilidade

Simplicidade de projeto é uma das grandes vantagensdo Sistema Vértice de Fundações e Ancoragens.O elemento básico da fundação ou âncora consistenuma seção guia com múltiplas hélices projetada pararesistir a um específico torque de instalação. Seções

de extensão podem ser adicionadas e tem a função delevar a seção guia à profundidade necessária.Mais de 35 anos de pesquisas, engenharia,desenvolvimento de produtos e testes, resultaram noaperfeiçoamento e amadurecimento na arte deexecução de fundações e ancoragens com hasteshelicoidais. Dimensões e peso não são maiscondições críticas para a confiabilidade do sistema. As fundações são projetadas para suportar o estressde torção, flambagem e esforços laterais. O aço de altaresistência da hélices distribui as forças de tração ecompressão. A seção circular das fundações transferepara o solo os esforços laterais, flambagem e torção.Os parâmetros do solo requeridos são disponíveis nassondagens SPT (Standard Penetration Test), tais comotipo de solo, resistência (número de golpes), nível dolençol freático, etc.. Com estes parâmetros bem comoas cargas incidentes nas fundações é possívelescolher a fundação e a ancoragem correta.Quando se encontra construções que demandam baixoruído de instalação, controle das vibrações, mínimaremoção de solo ou nível d’água associado àescavação, o Sistema Vértice é o indicado.

4.3 Configuração das hélices

- Hélices são pratos de aço amoldados helicoidais comespessura de 10 mm (3/8”) ou 13 mm (1/2”);- A seção guia, ou primeira seção instalada no solo,contém as hélices;- O espaçamento entre as hélices é de tres vezes odiâmetro da menor hélice;- Hélices podem ser adicionadas às seções deextensão se necessário;- Extensões com hélices podem ser instaladasimediatamente após a seção guia.

Podemos aumentar a capacidade de carga de umaÂncora ou Fundação de três maneiras:

- Aumento do diâmetro das hélices;- Aumento do número de hélices;- Instalação em solo melhor (mais profundo).

4.4 Tipos de fundações helicoidais

As fundações helicoidais podem ser de dois tipos:

- Estacas: Tubos de diâmetro 4” e 8”. Sãoindicadas como fundação de mastro central detorre estaiada, fundação de torre auto-portante oufundação de estai.

- Tirantes: barras quadradas maciças de 1 ½” a2,25”.

TABELA 1: Características mecânicas nominais daâncora helicoidal

Diâmetro da hasteTubo de aço de parede grossa

101,6 mm

Capacidade de torque máximo 14.914 NmCapacidade de carga última porhélice (tração ou compressão)

225 kN

3

Capacidade última para fundaçõescom carga axial

450 kN

4.4.1 Estaca ou fundação em tubo 4”

É composta de uma seção guia com 10,16 cm dediâmetro de aço galvanizado de alta resistência commulti hélices helicoidais onde extensões de mesmodiâmetro são conectadas.A fundação com tubo de 4” é usada em aplicaçõesonde existe tração e compressão com esforço lateralmoderado. Várias configurações de seção guia e deextensões estão disponíveis para dar flexibilidade aoprojeto.As conecções entre a seção guia e as extensões eentre as extensões são feitas através de trêsparafusos. Diversos tipos de terminação estãodisponíveis.

4.4.2 Estaca ou fundação em tubo 8”

A Fundação em tubo 8” (extensões), possui seção guiade 10,16 cm e extensões de 20,3 cm de diâmetro pararesistir às forças de tração, compressão e cargaslaterais. São conectadas por um conjunto de parafusosno topo da seção guia e de cada extensão. Fundaçõescom multi-elementos podem ser conectadas a grelhasmetálicas, perfis metálicos ou blocos de concreto. Acapacidade total da fundação é o somatório de cadafundação isolada.

4.4.3 Tirantes ou âncoras em barras quadradas

As âncoras em barras quadradas são projetadas paracargas de tração. Duas, três ou quatro hélices sãosoldadas a uma barra quadrada de aço de altaresistência. Cada hélice age como uma âncora emseparado para aumentar a capacidade de carga.Extensões podem ser adicionadas à seção guia parase atingir a profundidade necessária (solo com aresistência requerida).

TABELA 2: Valores de torque e capacidade de carga

Propriedadesmecânicas

1,50” 1,75” 2,00” 2,25”

Máximo torquede Instalação

9.500Nm

13.600Nm

20.300Nm

27.100Nm

Mínima cargaúltima de tração

32.00Kg

45.400Kg

68.400Kg

90.700Kg

TABELA 3: Características mecânicas nominais dasâncoras helicoidais 1,50” e 2,25”

Medida da hasteBarra quadrada de açosólida com cantos redondos

38 mm 57 mm

Capacidade de torquemáximo

9.491 Nm27.116

NmCapacidade de carga últimapor hélice(tração ou compressão)

180 kN270 kN

Capacidade última parafundações com carga axial

315 kN 900 kN

Obs.: Estão também disponíveis as âncoras helicoidaisde 1,75” e 2,0”.4.5. Método de projeto de capacidade da âncorachance:

Correlação capacidade de carga-torque- Existe uma relação entre o torque requerido na

instalação de uma âncora helicoidal e suaCapacidade de carga última.

- Qu = Kt x T, onde:- Qu = Capacidade de carga última- Kt = Fator de torque empírico- T = Torque de instalação médio

O valor de Kt é função da instalação, do solo e do tipode âncora instalada.

4.6. Ferramentas de instalação:

Para se instalar uma fundação ou âncora é necessárioum equipamento com um sistema hidráulico adequado(3.000 psi de pressão hidráulica e 40 gpm de vazão debomba), para se atingir torques até 12.000 lbs.ft erotação ente 13 e 20 rpm.Ferramentas de adaptação para o motor hidráulico,torquímetro, fundações em tubos ou quadradas sãodisponíveis.Uma vez que a capacidade de carga da fundação ouâncora é diretamente proporcional ao torque deinstalação, quando se atinge o torque requerido ainstalação pode ser paralisada e se garante acapacidade de carga da fundação ou âncora.O indicador de torque (torquímetro) está disponível emduas versões: torquímetro com ponteiro e leitura diretae torquímetro de pino. Neste caso cada pino suporta aforça de torção de 500 ft.lbs e são colocadas quantospinos forem necessários para se atingir o torquerequerido. Quando este torque é alcançado ocorre ocisalhamento dos pinos e a instalação é interrompida.

4.7 Principais vantagens do sistema vértice defundações e ancoragens:

- Relação direta entre o torque de instalação e acapacidade de carga da âncora ou fundação. Istoprediz a capacidade de carga com total segurança;- Possibilidade de desinstalação permitindo mobilidadee monitoramento contra corrosão;- Custo muito baixo do equipamento e ferramentas deinstalação;- Utiliza pouca mão de obra (3 homens por equipe);- Alta produtividade sem interrupções por condiçõesclimáticas (chuvas);- Não agride o meio ambiente (não existe escavação,resíduo de materiais, perturbação do solo, etc...);- Não utiliza concreto;- Não necessita de estudos de solos complementares,apenas sondagens SPT e a Trado;

4

- As torres podem ser montadas imediatamente após ainstalação da âncora ou fundação, não necessitandode tempo de cura como nas fundações em concreto;- Por se prever com exatidão as profundidades deinstalação e por estarem disponíveis em várioscomprimento, não existe sobra ou perda de material.

5. Dados do projeto e construção da LT Abadia/SantaClara

5.1 Sondagens e ensaios de ruptura

A partir do relatório de sondagens à percussão,realizadas em todas as torres da LT, escolheu-se osdois pontos que melhor caracterizavam a disposição dacamada orgânica no subsolo, para realização dostestes de carregamento das fundações que seriamutilizadas, levando-as à ruptura nas condições maisdesfavoráveis, ou seja, compressão máxima na torre 3,e tração máxima na torre 22.

TABELA 4: Sondagem à Percussão SPT da LT AbadiaSanta-Clara

Argila Orgânica

Profundidade SPTTorre Torre

m 3 221,0 8 12,0 11 13,0 7 24,0 12 25,0 8 16,0 9 47,0 12 48,0 2 69,0 7 9

10,0 3 3211,0 2 3312,0 3 2613,0 4 3314,0 4 3515,0 2 4016,0 317,0 318,0 419,0 220,0 3

NA (m) 1.70 0.92

OBS.: Os dois pontos acima, torres 3 e 22, sãorepresentativos de todo o percurso da LT, e por issoforam selecionados para as provas de carga.

No caso da torre 3, o problema era assentar afundação ( âncora ) na profundidade de conferisse à

mesma o torque necessário, sem atingir a camada deargila orgânica, representada pela cor cinza. Para esteponto o teste à compressão foi o mais importante.

Na torre 22, o problema era determinar a profundidademínima, além da camada de argila orgânica, onde seriapossível ancorar a fundação com a devida segurançaao arrancamento. Para este ponto o teste à tração foi omais importante.Com os dados referentes à capacidade de carga dasfundações, os testes executados serviram para melhorcorrelacionar as informações das sondagens com asexpectativas teóricas, além de permitir uma avaliaçãomais precisa sobre o comportamento do sistemahidráulico disponível na obra e seu respectivorendimento visando o planejamento da obra.

Figura 1: Cravação da estaca de teste

Figura 2: Ensaio de compressão na torre 3.

Ensaio de compressão na torre 3

0

5

10

15

0 4 8 12 16 20 24 28

Carga aplicada (tf)

Des

loca

men

to (

mm

)

5

Obs.: Foi adotado, como critério, paralisar o ensaioquando a carga de compressão atingisse 150% dacarga de projeto, que foi de 16 t.Obs.: Foi adotado, como critério, paralisar o ensaioquando a carga de tração atingisse 200% da carga deprojeto, que foi de 12 t.

5.2 Projeto

Foi desenvolvido um projeto específico para cada torreda LT, observando-se o comportamento do subsolo eas cargas aplicadas.De acordo com o tipo de torre e suas solicitações,definiu-se três tipos básicos fundações:

• Torres que utilizariam uma única estaca por pé,não necessitando de blocos de coroamento.

• Torres que utilizariam duas estacas por pé,necessitando de bloco de coroamento.

• Torres que, além do bloco de coroamento,necessitariam de cintamento interligando os quatropés.

Figura 3: Torre utilizando uma única estaca por pé, nãonecessitando de blocos de coroamento

Figura 4: Pé de torre que utilizou quatro estacas,necessidade de bloco de coroamento

Figura 5: Estrutura de coroamento metálica.Possibilidade não utilizada na LT em questão.

5.3 Acompanhamento da execução

A execução das fundações foi acompanhada por doisengenheiros da Vértice, especialistas no método. Umatuou na produção das peças, acompanhando ofornecimento dos materiais básicos (tubos de aço,chapas, etc.), bem como a montagem doscomponentes das estacas (cortes, soldagem dashélices, etc.), o outro atuou junto às equipes deinstalação, controlando os estoques e a produção,acompanhando os dados de cravação, comparando-os com o projeto, e intervindo no processo na eventualocorrência de divergências.

5.4 Quantitativos da obra

71 Torres metálicas auto-portantes348 Fundações metálicas helicoidais

TABELA 5: Comparativo entre as fundações perfil "I" eestaca metálica helicoidal (projetos)

Perfil "I" HelicoidalRedução

(%)

Escavação (m3) 910,00 285,42 68,63

Armação (Kg) 72390,00 19487,00 73,08

Concreto (m3) 845,00 267,31 64,11

Forma (m2) 4900,00 1196,70 75,57

Reaterro (m3) 145,00 37,65 74,03

Estacas (ml) 8.600 4.530 47,33

E n s a io d e t r a ç ã o n a to r r e 2 2

0

5

1 0

1 5

2 0

0 1 0 2 0 3 0

C a r g a ( t f )

Des

loca

men

to (

mm

)

6

TABELA 6: Comparativo entre os volumes iniciais deprojeto e os volumes reais realizados

item Previsto Realizado Variação (%)

Escavação 285,42 m3 297,01 m3 4,06

Armação 19.487,00 Kg 19.687,00 Kg 1,02

Concreto 267,31 m3 277,10 m3 3,66

Forma 1.196,70 m2 1.232,05 m2 2,95

Reaterro 37,65 m3 38,82 m3 3,10

TABELA 7: Elementos metálicos

Item Kg Quantitativo

Hélices 14.553,40

Flanges 6.240,00

Luvas 8.882,20

Tubos 4" 46.603,00 2.894,60 m

Tubos 8" 41.157,00 1.210,50 m

Parafusos 3/4" x6,5"

1.245,80 2.492 un

Parafusos 3/4" x2,5"

678,50 2.827 un

Total 119.359,90

Galvanização 48.194,53 Kg

Hélices de 12" 348 un

Hélices de 14" 1.176 un

Flanges de 14" 1.424 un

Total Geral (Kg) 119.359,90

Peso por composição (Kg) 72,40

Peso por torre (Kg) 1.681,10

Peso por fundação (Kg) 343,00

Peso por ml (Kg) 29,07

Total instalado (ml) 4.105,10

Instalado por torre (ml) 57,81

Total de Componentes (un) 1.622,00

Componentes por torre (un) 22,80

Componentes por fundação (un)4,66

6. Conclusões a partir dos resultados da obra da CERJ

6.1 Sobre o método

Ficou evidente a necessidade de sondagens confiáveisem cada ponto onde será executa a fundaçãohelicoidal, já que isto constitui-se no principal ponto departida para o desenvolvimento seguro do projeto.

O projeto deve ser desenvolvido especificamente paracada fundação, tendo em vista o comportamento dasdiversas camadas do subsolo.Com projeto específico, associado a condiçõespeculiares do subsolo, torna-se fundamental oacompanhamento da execução por profissional capazde avaliar as eventuais distorções construtivas, conferiras sondagens disponíveis e eventualmente adaptar oprojeto aos dados reais obtidos no campo. Esteprofissional também tem a função de controlar osestoques de materiais no canteiro, evitando odesperdício e/ou a falta, que pode acarretar eminterrupções na produtividade.Como o sistema de cravação pode ser adaptado aretroescavadeiras e guindautos, a locomoção emobilização é facilitada.O comportamento das cargas máximas que atuamnuma LT ( esporádicas e de curta duração ) favorecema utilização do método.

6.2 Resultados práticos na obra de construção da LT

6.2.1. Rendimento do serviço de estaqueamento

Com o sistema helicoidal foi possível concluir a obradentro do prazo contratual, apesar de impedimentosque reduziram o tempo disponível para a conclusãodas fundações.

6.2.2. Custo apurado

O custo com a execução das fundações ainda foiligeiramente inferior ao previsto inicialmente com osistema convencional. Este resultado poderia ter sidoainda melhor, se não fosse adotada pela CERJ, aexecução de blocos de concreto encabeçando todas asestacas, mesmo naquelas onde não havia necessidadeteórica. O objetivo desta medida foi aumentar asegurança quanto aos esforços horizontais e criar umreferencial de nível do terreno natural, facilitando assima percepção, por parte das turmas de manutenção deLT’s, de eventuais rebaixamentos no terreno quepossam comprometer a estabilidade das fundaçõescom estacas simples ( uma por pé ).

6.2.3. Absorção de nova tecnologia

Os resultados acima nos permitem afirmar quedispomos atualmente de mais uma opção detecnologia de fundações, simples, econômica e segura.