Engenharia de Fundações de Aerogeradores de Grande Porte – Calter Engenharia

Breve histórico da energia eólica no brasil 

A energia eólica é produzida a partir da força dos ventos e é gerada por meio de aerogeradores. Neles, a força do vento é captada por três pás ligadas a uma turbina que aciona um gerador elétrico. É uma energia abundante, renovável e limpa.

A emissão de gases de efeito estufa, que atinge nosso planeta, encontra no Brasil um forte combatente que é a abundância de fontes renováveis, destacando-se o vento, onde as regiões de potencial eólico baixo corresponde ao mesmo potencial das melhores regiões da Alemanha, por exemplo.

Figura 1 – Foto de uma aerogerador com fundação e torre projetado pela Calter

Buscando possibilitar a expansão da fonte eólica na matriz energética nacional, o governo estabeleceu algumas ações visando desenvolver a tecnologia: como a internalização desta tecnologia e a consolidação da indústria eólica nacional de fornecimento de componentes e montagem; a participação da iniciativa privada e o aprimoramento da legislação, do conhecimento da fonte primária e de sua interação energética com um parque gerador de base hidráulica (EPE, 2009).

Criou o PROINFA (Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica), por meio da Lei 10.438/2002. Resumidamente esse programa voluntariou a compra de energia pelo governo através da fonte eólica, com tarifas generosas, com contratos de longa duração, com o claro objetivo de criar e manter a indústria eólica. Hoje temos no mercado brasileiro fábricas de pás, torres, aerogeradores etc.

A indústria eólica tem se expandido significativamente nos últimos dez anos no Brasil, passando dos 27 MW instalado em 2005 para 13.000 MW em 2017, e hoje se tornou a segunda fonte mais competitiva, ficando atrás somente das hidrelétricas, porém com um grande diferencial competitivo que é o baixo impacto ambiental, rapidez de instalação e funcionamento.

Fundações de aerogeradores de grande porte

Segundo DNV/Riso (2002), os tipos e estrutura de fundação para torre instaladas onshore, em terra, são profundas com uso de estacas ou fundação rasa, superficial, através de sapata. O dimensionamento da fundação terá que ser específica para cada local de obra, ou seja, exclusiva para as condições geotécnicas locais.

Neste contexto, quando o material na superfície apresentar baixa resistência, se faz necessário transmitir as cargas para as camadas mais profundas, optando-se pela primeira alternativa. Por outro lado, quando o material próximo à superfície é resistente o suficiente, normalmente utiliza-se a fundação superficial.

Uma estaca submetida a um carregamento vertical transmite ao solo parte da carga por atrito lateral e ao longo do fuste e parte através da pon- ta por tensões de compressão sob a mesma. A porcentagem da carga, a se transmitir, via atrito lateral, depende de vários fatores, como propriedade e estratificação do solo, camada de apoio da ponta, comprimento da estaca, rigidez relativa estaca/solo, processo construtivo entre outros (Poulos & Davis, 1980).

O posicionamento dos parques eólicos tem como critério principal o recurso eólico, ou seja, intensidade de vento, não sendo possível alterar essa posição caso as condições geotécnicas sejam desfavoráveis, não possuam capacidade de carga.

O projeto de fundações, mais especificamente falando de projeto de fundações de aerogeradores, que compreende o bloco de fundação e as estacas propriamente ditas, requer um conhecimento das áreas estrutural e geotécnica.

Na área de geotécnica, os profissionais, engenheiros ou geólogos devem possuir profundos conhecimentos técnicos, vivência e experiência de campo, pois estamos falando de blocos de concreto que medem entre 15 m e 20 m de diâmetro. Na área estrutural, falamos de cargas aplicadas de grande magnitude, um conhecimento profundo também é necessário.

Geralmente fundações de turbinas eólicas são imensos blocos de concreto armado, em que o custo de uma fundação completa para um aerogerador, corresponde entre 5% a 10% do valor do aerogerador completo, valores entre 500.000 a 1.000.000 de reais dependendo do número de unidades, logicamente o efeito escala reduz significativamente esses valores.

Tabela 1 – Dados de fundações 

Geometria da sapata Circular, octogonal, quadrada, com muros etc.
Material utilizado Concreto armado
Fck  30 a 40 Mpa
Volume de concreto 250 a 600 m3
Quantidade de aço 25 a 60 toneladas / 100 kg/m3
Tipo de estacas Hélice contínua, cravadas, raiz, tirantes
Profundidade das estacas 12 a 44 m
Quantidade de estacas 16 a 44 unidades

Figura 3 – Bloco de fundação para aerogerador. Fonte: Autor

Seguem abaixo algumas características das fundações para aerogeradores:

Engenharia aplicada à fundação de aerogeradores 

A fundação é o elemento que vai fazer a ligação entre o conjunto da torre e o aerogerador e as cargas (tanto estáticas como dinâmicas, a que esse conjunto está submetido) e o solo. Irá suportar assim todas as cargas estáticas, como o peso próprio e as dinâmicas, – como o vento e os sismos, este último nas regiões onde se está sujeito.

Enquanto na maioria das estruturas as fundações são projetadas principalmente para atender as cargas verticais, as fundações das torres eólicas terão de atender essencialmente forças horizontais, impostas pelo vento, que irão originar valores muito elevados de momentos fletores na base da torre e na fundação.

O projetista de fundações de aerogeradores deve contemplar todos os elementos e subsídios possíveis para um bom desenvolvimento dos trabalhos. Abaixo, as etapas ou as modalidades da engenharia que envolvem um projeto de fundação de um aerogerador:

a) Estudo topográfico e o levantamento planialtimétrico: o levantamento topográfico deverá subsidiar informações como perfil do terreno, presença de solo mole na superfície ou presença de água, presença de taludes e erosões. Importante a compatibilização da cota superior da fundação com as vias de acesso e plataformas de montagem.

b) Plano de investigações geotécnicas e as sondagens: é por meio de investigação geotécnica que o projetista terá acesso a informações necessárias para o projeto, conhecendo o tipo de solo com que estará trabalhando, as camadas de solo existentes, além do nível do lençol freático. É por meio de uma investigação geotécnica que o engenheiro poderá determinar os parâmetros do solo e qual o melhor tipo de fundação para o solo em questão, com estacas ou superficial. As sondagens mais comuns para usinas eólicas são: 1) sondagem à percussão – SPT (Standard Penetration Test), a mais comum, para solos em geral; 2) Sondagem rotativa, a mais comum para rochas; 3) CPTu (Cone Penetration Test); 4) Ensaio estático com placa (PCP), para sapata superficial.

c) Envelope de cargas da turbina fornecida pelo fabricante: cargas extremas, cargas quase permanentes, carga normal, cargas de fadiga, pesos dos componentes.

Figura 4 – Sistema de coordenadas global e descritivo dos esforços atuantes. Fonte: DNV/RISO

d) Projeto estrutural do bloco de fundação: é o projeto do bloco de concreto, no qual são considerados as informações técnicas descritas acima. Além da informação da geometria da fundação, temos as quantida- des de aço e concreto a serem utilizados. Nas fundações não superficiais, onde são consideradas o uso de estacas, temos a indicação do número de estacas e a maior carga de compressão e a maior carga de tração no qual as estacas devem trabalhar;

e) Projeto das estacas: é o projeto do estaqueamento do bloco de fundação. Devemos considerar todas as informações já elencadas acima, como resultado teremos o tipo de estaca, a quantidade, a profundidade e o diâmetro. Neste item também devemos incluir o teste de carga em estaca, estático (PCE), e de acordo com o plano incluindo os ensaios de carregamento dinâmico (ECD).

Problemáticas no projeto de fundações para aerogeradores 

a) É necessário uma usina de concreto dedicada para as concretagens, pois como o volume é muito grande, algo em torno de 60 viagens de caminhões betoneiras por bloco de fundação.

b) Montagem das armaduras, pois devido a quantidade de posições. Vê-se que um bloco tem uma taxa de aço maior que 100 kg/m3.

c) Calor de hidratação em fundação do grande volume de concreto, onde nas regiões mais quentes, ou mesmos, em localidades no Nordeste do Brasil, o uso de gelo é necessário;

d) Cura química, ou úmida deve ser observada com rigorosidade, com objetivo de evitar o aparecimento de fissuras, em função do calor de hidratação, em outras palavras, a perda de água.

Estudo de caso – Usina eólica de tubarão / potência 2.1 mw 

O projeto: 

Um aerogerador com potência de 2.1 MW, altura do rotor 117 m, torre de concreto armado, diâmetro de área varrida pelo conjunto de pás de 110 m, instalado na cidade de Tubarão, no Estado de Santa Catarina, que pode ser visto às margens da BR-101 km 330.

Esse projeto foi desenvolvido por meio de uma chamada pública n. 17/2013 do plano estratégico da ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica). A seguir, estão descritas as coordenadas do aerogerador baseado no sistema geocêntrico Sirgas 2000, zona UTM 23.AGW 2.1: X=698.412 Y=6.851.430.

Figura 5 – Localização da usina eólica. Fonte: Google Earth

Fotos do local – Fundação de torre eólica de concreto 

Figura 6 – Estaqueamento: tipo pré-moldada centrifugada. Fonte: Autor

Figura 7 – Armadura do bloco finalizada. Fonte: Autor

Normas aplicáveis 

  • EN 1992-1-1 – Eurocode 2: Design of concrete structures –Part 1-1: General rules and rules for buildings;
  • EN 1992-2 – Eurocode 2: Design of concrete structures –Part 2: Concrete bridges – Design and detailing rules;
  • EN 1997-2 – Eurocode 7: Geotechnical design – Part 1: General Rules;
  • EN 1997-2 – Eurocode 7: Geotechnical design – Part 2: Ground investigation and testing;
  • GL 2010: Guideline for the certification of Wind Turbines, 2010;
  • IEC 61400-1: Wind Turbines – Part 1 Design Requirements;
  • IEC 61400-6: Wind Turbines: Tower and foundation design;
  • DNV OS-C502: Offshore Concrete Structures;
  • DNVGL-ST-0126: Support structures for Wind turbines;
  • DNVGL-ST-0437: Loads and sites conditions for Wind turbines;
  • NBR 6.122 – ABNT – Projeto e execução de fundações;
  • NBR 8.681 – ABNT – Ações e segurança nas estruturas;
  • NBR 15.421 – ABNT – Projetos estruturais resistentes ao sismo;
  • NBR 6.118 – ABNT – Projetos de estruturas de concreto;
  • NBR 7.480 – ABNT – Barras e Fios destinados a armaduras para concreto armado;
  • NBR 8.953 – ABNT – Concreto para fins estruturais – classificação de grupos de resistência;
  • NBR 6.484 – ABNT – Execução sondagens de simples reconhecimento.

Dados das cargas envolvidas: 

Os carregamentos apresentados neste documento referem-se exclusivamente a solução em torre de concreto com altura do rotor: 120m. A divisão dos carregamentos apresentados segue a metodologia estabelecida pela IEC 61400-1 e NBR 6.1400-1:

a) Carregamento Extremo;
b) Carregamento Normal;
c) Carregamento quase permanente;
d) Carregamento de Fadiga;
e) Rigidez da Fundação.

Geometria da fundação: 

O croqui abaixo apresenta uma vista em corte da fundação, onde é possível observar a disposição das estacas em dois perímetros, além da câmara de protensão, destinada à ancoragem dos cabos de pós-tensão da torre.

Figura 8 – Vista em corte da fundação projetada pela Calter. Fonte: Autor

A próxima figura apresenta uma vista do modelo numérico desenvolvido via método dos elementos finitos destinado a avaliar o bloco de fundação e esforços nas estacas. Foi utilizado um modelamento com malha associada de elementos quadriláteros e triangulares. Na primeira parte está apresentado o modelo completo e na segunda, uma vista interna da câmara de protensão do bloco.

Figura 9 – Modelagem numérica da fundação desenvolvida pela Calter. Fonte: Autor

Novas concepções de fundações – Contrafortes

É uma fundação formada por uma laje inferior de geometria circular, armada e concretada in situ. Adicionalmente a esta laje de pequena espessura, são incluídas nervuras que funcionam como contrafortes para compensar a baixa rigidez da laje. Estas nervuras poderão ser pré-fabricadas ou armadas e concretadas no local.

Este tipo de fundação tem como principal vantagem a redução do consumo de concreto e menor risco de fissuração durante a cura, devido ao aumento de área exposta ligado ao menor calor de hidratação.

O que estamos propondo é uma solução de fundações, onde o consumo de aço permanece próximo ao de uma fundação convencional, entretanto, há uma sensível redução do volume de concreto aliado a melhor reologia e qualidade deste concreto no estado endurecido.

A figura abaixo ilustra esquematicamente a concepção de fundação proposta, onde o número de nervuras e diâmetro da laje circular são ajustáveis aos esforços transmitidos pela torre e características geotécnicas do local.

Figura 10 – Modelagem numérica da fundação em contrafortes desenvolvida pela Calter. Fonte: Autor

Considerações finais 

Na busca de maior eficiência energética, os novos aerogeradores comerciais de grande porte tiveram crescimento de escala, com significativos incrementos de altura e área varrida pelo conjunto de pás. Os esforços transmitidos à fundação, neste aspecto, também sofreram incrementos consideráveis, exigindo de projetistas soluções inovadoras ou adequações necessárias para viabilizar tanto técnica como economicamente seus projetos.

Dentre todos custos necessários à implantação de um empreendimento eólico, a infraestrutura civil corresponde em média entre 10% e 15% e o projeto de fundações, menos de 2% do total. Entretanto, o impacto de um projeto de fundações com deficiências ou não adequado a realidade do local pode pôr em risco todo o empreendimento, repercutindo em aumento de custos ou atrasos no cronograma.

Um bom projeto de fundação irá garantir benefícios a sua obra, prezando pela segurança, economia e facilidade de execução, estas medidas reduzem o risco de transtornos na implantação e durante a vida útil do empreendimento. Neste sentido, a busca de escritórios de projeto especializados em soluções para o mercado eólico pode ser a diferença entre o fracasso e sucesso de um empreendimento.

 

EVANDRO MEDEIROS BRAZ, é engenheiro civil, com especialização em gestão de projetos. É diretor e responsável-técnico da Calter do Brasil Engenharia Limitada, uma empresa subsidiária da Calter Engenharia da Espanha com 20 anos de atuação no mercado de estruturas. O Brasil já projetou fundações e torres de concreto para aerogeradores, atendendo mais de 100 unidades projetadas nos Estados de Santa Catarina e no Ceará. Colaboraram para este estudo os engenheiros civis da Calter Engenharia, Juan Carlos Arroyo Portero, Carlos Ríos e Alberto Gabarrón.

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