fundações de torres de linhas de transmissão e de telecomunicação

7/28/2019 Fundaes de Torres de Linhas de Transmisso e de Telecomunicao

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

ESCOLA DE ENGENHARIA

CURSO DE PS-GRADUAO

EM ENGENHARIA DE ESTRUTURAS

DISSERTAO PARA OBTENO DOGRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA DE

ESTRUTURAS

2004


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RONALDO AZEVEDO CHAVES

Fundaes de Torres de Linhas de Transmisso e deTelecomunicao

Dissertao apresentada ao Departamento de Engenharia de

Estruturas da Escola de Engenharia da Universidade Federal

de Minas Gerais, para obteno do grau de Mestre em

Engenharia de Estruturas

Universidade Federal de Minas Gerais

Belo Horizonte, 30 de abril de 2004


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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

ESCOLA DE ENGENHARIA

CURSO DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA DE ESTRUTURAS

FUNDAES DE TORRES DE LINHAS DE TRANSMISSO E DE

TELECOMUNICAO

Ronaldo Azevedo Chaves

Dissertao apresentada ao Curso de Ps-

Graduao em Engenharia de Estruturas da

Escola de Engenharia da Universidade

Federal de Minas Gerais, como parte dos

requisitos necessrios obteno do ttulo de

Mestre em Engenharia de Estruturas.

Comisso Examinadora

_________________________________Prof. Sebastio Salvador Real PereiraDEES-UFMG (Orientador)

_________________________________Prof. Alcebades de Vasconcellos FilhoDEES-UFMG

_________________________________Prof. Cludio Henrique Carvalho SilvaUFV

Belo Horizonte, 30 abril de 2004


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AGRADECIMENTOS

Aos meus pais, pelo exemplo.

minha esposa, pelo companheirismo.

Aos meus filhos, pela compreenso.


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SUMRIO

Apresentao

1 Introduo ................................................................................................................ 1

1.1 Histrico ................................................................................................................ 1

1.1.1 Os Projetos de Linhas de Transmisso no Brasil .......................................... 2

1.2 Objetivo da Dissertao ....................................................................................... 6

1.3 Apresentao da Dissertao .............................................................................. 7

2 Conhecimento do Problema ............................................................................... 8

2.1 Implantao de Linhas de Transmisso ............................................................ 8

2.2 Aspectos Construtivos com Vistas ao Impacto Ambiental ............................... 9

3 Tipos de Torres ....................................................................................................... 14

3.1 Quanto ao Sistema Estrutural ............................................................................ 15

3.2 Quanto sua Funo na Linha ........................................................................... 18

3.3 Outros Tipos Usuais de Torres ........................................................................... 20

4 Carregamentos nas Torres ................................................................................. 22

4.1 Cargas Verticais ................................................................................................... 23

4.2 Esforos de Trao Axial nos Cabos .................................................................. 25

4.2.1 Cargas Transversais ...................................................................................... 27

4.2.2 Cargas Longitudinais .................................................................................... 28

4.3 Aes do Vento ..................................................................................................... 30

4.3.1 Ao do Vento segundo a NBR 5422 ........................................................... 30

4.3.1.1 Velocidade bsica do vento .............................................................. 31

4.3.1.2 Velocidade do vento de projeto ........................................................ 33

4.3.2 Clculo da Ao do Vento ............................................................................ 36

4.3.2.1 Ao de vento nos cabos ................................................................... 36


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vi

4.3.2.2 Ao de vento nas cadeias de isoladores .......................................... 38

4.3.2.3 Ao de vento nas torres ................................................................... 39

4.4 Hipteses de Carregamento ................................................................................ 41

4.5 Outras Aes a Considerar ................................................................................. 44

4.5.1 Cargas de Montagem e de Manuteno ........................................................ 44

4.5.2 Sismos ........................................................................................................... 44

4.5.3 Neve e gelo ................................................................................................... 45

4.5.4 Recalques nas fundaes .............................................................................. 45

4.5.5 Impactos e empuxos de gua ou de solo ....................................................... 46

4.6 Particularidades das torres de LT e torres de telecomunicao ..................... 46

5 Proteo das Fundaes ....................................................................................... 48

5.1 Proteo Fsica ..................................................................................................... 48

5.2 Proteo Qumica ................................................................................................. 49

5.3 Proteo Galvnica .............................................................................................. 50

6 Informaes Complementares para Implantao das Fundaes ........ 51

6.1 Relatrio de Inspeo de Campo......................................................................... 51

6.2 Informaes Bsicas sobre Solos ......................................................................... 54

6.2.1 Conceitos bsicos de geologia ...................................................................... 54

6.2.2 Conceitos bsicos de geotecnia ..................................................................... 57

6.2.2.1 Investigaes geotcnicas do subsolo ............................................... 58

6.2.2.1.1 Sondagens a trado .............................................................. 59

6.2.2.1.2 Sondagens percusso (SPT) ou ensaio de penetrao

dinmica ............................................................................. 62

6.2.2.1.3 Sondagens rotativas e mistas ............................................. 65

6.2.2.1.4 Poos de inspeo .............................................................. 66

6.2.3 Caractersticas fsicas e mecnicas dos solos ............................................... 66

6.2.3.1 Caractersticas fsicas ........................................................................ 68

6.2.3.1.1 Teor de umidade ................................................................ 68

6.2.3.1.2 ndice de vazios ................................................................. 69


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vii

6.2.3.1.3 Porosidade .......................................................................... 69

6.2.3.1.4 Grau de saturao ............................................................... 69

6.2.3.1.5 Peso especfico ................................................................... 70

6.2.3.1.6 Peso especfico dos gros slidos ...................................... 71

6.2.3.1.7 Obteno dos ndices fsicos .............................................. 71

6.2.3.2 Caractersticas mecnicas ................................................................. 71

6.2.3.2.1 Resistncia ao cisalhamento dos solos ............................... 72

6.2.3.2.2 Compressibilidade do solo ................................................. 74

6.2.3.2.3 Empuxos dos solos ............................................................. 76

6.2.4 Avaliao dos parmetros do solo ................................................................ 786.2.5 Tenso admissvel do solo ............................................................................ 80

6.2.5.1 Tenso admissvel atravs de frmulas tericas ............................... 81

6.2.5.1.1 Ocorrncia do nvel de gua .............................................. 90

6.2.5.2 Tenso admissvel atravs de prova de carga ................................... 92

6.2.5.3 Tenso admissvel atravs do SPT .................................................... 92

6.2.6 Avaliao dos coeficientes de compressibilidade dos solos ......................... 94

7 As Fundaes Processos de Clculo ............................................................. 99

7.1 Estruturas de Fundaes Usuais ......................................................................... 99

7.2 Tipos de Fundaes Noes Bsicas de Equilbrio ......................................... 100

7.3 As Fundaes Estudo Individual Procedimentos ......................................... 101

7.3.1 Tubules em solos ........................................................................................ 102

7.3.1.1 Aplicabilidade ................................................................................... 102

7.3.1.2 Tipos e mtodos construtivos ........................................................... 103

7.3.1.3 Geometria dos tubules .................................................................... 1067.3.1.4 Estudo da estabilidade e dos esforos solicitantes ............................ 107

7.3.1.4.1 Estudo da compresso ........................................................ 107

7.3.1.4.2 Estudo do arrancamento ..................................................... 109

7.3.1.4.3 Estudo do carregamento lateral .......................................... 111

7.3.1.5 Dimensionamento ............................................................................. 114

7.3.2 Tubules em rocha ........................................................................................ 115


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viii

7.3.2.1 Aplicabilidade ................................................................................... 116

7.3.2.2 Mtodo construtivo ........................................................................... 116

7.3.2.3 Estudo da estabilidade e dos esforos solicitantes ............................ 117

7.3.2.3.1 Estudo da compresso e da trao ..................................... 117

7.3.2.3.2 Estudo do carregamento lateral .......................................... 118


7.3.3 Sapatas .......................................................................................................... 120

7.3.3.1 Aplicabilidade ................................................................................... 121


7.3.3.3 Geometria das sapatas ....................................................................... 1227.3.3.4 Estudo da estabilidade e dos esforos solicitantes ............................ 124


7.3.3.4.2 Estudo do arrancamento (trao) ....................................... 127


7.3.3.5.1 Dimensionamento do fuste ................................................ 131

7.3.3.5.1.1 Flexo ................................................................ 131

7.3.3.5.1.2 Cisalhamento .................................................... 132

7.3.3.5.1.3 Toro ............................................................... 133

7.3.3.5.2 Dimensionamento da base ................................................. 133

7.3.3.5.2.1 Flexo ................................................................ 133

7.3.3.5.2.2 Cisalhamento e puno ..................................... 134

7.3.4 Sapatas submersas ........................................................................................ 135

7.3.4.1 Aplicabilidade ................................................................................... 135

7.3.4.2 Informaes gerais ............................................................................ 135

7.3.5 Blocos ........................................................................................................... 1367.3.5.1 Aplicabilidade ................................................................................... 136


7.3.5.3 Geometria dos blocos ........................................................................ 137



7.3.5.4.2 Estudo do arrancamento (trao) ....................................... 139


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ix




7.3.6 Blocos sobre estacas ..................................................................................... 142

7.3.6.1 Aplicabilidade ................................................................................... 143


7.3.6.3 Geometria dos blocos ........................................................................ 144


7.3.6.4.1 Estudo da compresso e do arrancamento (trao) ............ 149

7.3.6.5 Dimensionamento ............................................................................. 1507.3.6.5.1 Dimensionamento do fuste ................................................ 151


7.3.6.5.2.1 Flexo ................................................................ 151

7.3.6.5.2.2 Cisalhamento e puno ..................................... 153

7.3.6.5.2.3 Blocos sobre uma estaca ................................... 153

7.3.7 Blocos ancorados em rocha .......................................................................... 156

7.3.7.1 Aplicabilidade ................................................................................... 156


7.3.7.3 Geometria dos blocos ancorados em rocha ....................................... 157


7.3.7.4.1 Estudo da compresso e do arrancamento (trao) ............ 159




7.3.7.5.3 Dimensionamento dos chumbadores ................................. 1617.3.8 Grelhas metlicas (GS) ................................................................................. 165

7.3.8.1 Aplicabilidade ................................................................................... 167


7.3.8.3 Geometria das grelhas metlicas ....................................................... 168




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x

7.3.9 Grelhas metlicas com laje de concreto (GLC) ............................................ 169

7.3.9.1 Aplicabilidade ................................................................................... 170


7.3.9.3 Geometria das grelhas metlicas com laje de concreto .................... 171



7.3.10 Grelhas metlicas com bloco de concreto (GBC) ....................................... 171

7.3.10.1 Aplicabilidade ................................................................................. 172

7.3.10.2 Mtodo construtivo ......................................................................... 173

7.3.10.3 Geometria das grelhas metlicas com blocos de concreto .............. 1737.3.10.4 Estudo da estabilidade e dos esforos solicitantes .......................... 173

7.3.10.5 Dimensionamento ........................................................................... 173

7.3.11 Fundaes especiais para estais .................................................................. 174

7.3.11.1 Mtodo construtivo ......................................................................... 174

7.3.11.2 Geometria das ancoragens dos estais .............................................. 175

7.3.11.3 Avaliao da capacidade de carga da ancoragem ........................... 176

7.3.11.4 Fatores de segurana nas fundaes de estais ................................. 177

8 Informaes Adicionais ........................................................................................ 178

8.1 Mtodos de Clculo das Estruturas .................................................................... 178

8.2 Domnio de Utilizao de uma Torre .................................................................. 179

8.3 Fundaes Submetidas a Arrancamento ............................................................ 181

8.4 Cargas Permanentes x Cargas Acidentais .......................................................... 182

8.5 Aes de Vento sobre as Torres ........................................................................... 182

9 Concluses e Recomendaes.............................................................................. 184

9.1 Concluses ............................................................................................................. 184

9.1.1 Estado da arte de projeto de fundaes de torres .......................................... 184

9.1.2 Tipos de fundaes ....................................................................................... 185

9.1.3 Dimensionamento das fundaes .................................................................. 186

9.2 Recomendaes ..................................................................................................... 187


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xi

9.2.1 Automatizao de projetos ........................................................................... 187

9.2.2 Implementao dos projetos das torres ......................................................... 187

9.2.3 Otimizao torre x fundao ......................................................................... 187

9.2.4 Estudo da aplicabilidade da torre .................................................................. 188

9.2.5 Instrumentao das torres ............................................................................. 188

Bibliografia .................................................................................................................. 190


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LISTA DE FIGURAS

Apresentao

FIGURA 2.1 Perfil de uma Linha de Transmisso ................................................... 10

FIGURA 2.2 Sees Transversais ............................................................................. 12

FIGURA 3.1 Silhueta de Torre Autoportante de LT ................................................. 16

FIGURA 3.2 Desenho Esquemtico de Torre Autoportante de Telecomunicao ... 17

FIGURA 3.3 Silhueta de Torre Estaiada de LT ........................................................ 18

FIGURA 3.4 Perfis de Torres Monotubulares de LT ................................................ 21FIGURA 4.1 Vo de Peso de uma Torre ................................................................... 23

FIGURA 4.2 Torre sob Arrancamento Parcial .......................................................... 24

FIGURA 4.3 Cabo sob Variao de Temperatura ..................................................... 26

FIGURA 4.4 Distncia de Segurana Cabo x Solo ................................................... 27

FIGURA 4.5 Componente Transversal da Ao dos Cabos ...................................... 28

FIGURA 4.6 Torre de Suspenso Equilbrio dos Cabos ........................................ 29

FIGURA 4.7 Ruptura de Cabo e Redistribuio de Esforos Longitudinais ............ 30

FIGURA 4.8 Velocidade Bsica do Vento (m/s) ...................................................... 32

FIGURA 4.9 Relao entre as Velocidades Mdias a 10 m de Altura (Kd) .............. 35FIGURA 4.10 Vo de Vento (Vv) para a Torre ......................................................... 37

FIGURA 4.11 Fator de Efetividade () ..................................................................... 38

FIGURA 4.12 Ao do Vento sobre um Tronco de Torre ........................................ 40

FIGURA 4.13 Coeficiente de Arrasto para Painis de Suporte Treliado (ndice de

rea Exposta) .................................................................................... 40

FIGURA 4.14 rvores de Carregamento em Torres de LT Hipteses Bsicas ..... 43

FIGURA 6.1 Relatrio de Inspeo de Campo ......................................................... 53

FIGURA 6.2 Relatrios de Sondagem a Trado ......................................................... 61

FIGURA 6.3 Relatrio de Sondagem Percusso (SPT) .......................................... 64FIGURA 6.4 Coeficiente de Empuxo do Solo .......................................................... 78

FIGURA 6.5 Tipos de Ruptura nos Solos Rupturas Local e Geral ........................ 80

FIGURA 6.6 Mecanismos de Ruptura dos Solos ...................................................... 82

FIGURA 6.7 Esquema da Nomenclatura Adotada por Hansen ................................. 86

FIGURA 6.8 Considerao do N.A. sob as Fundaes ............................................. 90

FIGURA 6.9 Determinao do Nmero de Golpes N Mdio sob as Fundaes ....... 93

FIGURA 6.10 Variao do Crnas Camadas Superiores do Solo .............................. 97

FIGURA 7.1 Tubules no Revestidos Escavados a Cu Aberto ............................. 104


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xiii

FIGURA 7.2 Tubulo com Revestimento para Escavao com N.A. ....................... 105

FIGURA 7.3 Tubulo com Revestimento para Escavao em Solo Fraco e/ou

com N.A. ............................................................................................. 105FIGURA 7.4 Esquema do Equilbrio Vertical Compresso dos Tubules ............. 108

FIGURA 7.5 Esquema do Equilbrio Vertical Trao dos Tubules ..................... 110

FIGURA 7.6 Esquema do Equilbrio Horizontal dos Tubules ................................ 112

FIGURA 7.7 Esforos Solicitantes nos Tubules sob Carga Horizontal .................. 113

FIGURA 7.8 Tubules em Rocha ............................................................................. 116

FIGURA 7.9 Esquema do Equilbrio Vertical Trao dos Tubules em Rocha .... 118

FIGURA 7.10 Seo Crtica para Dimensionamento do Momento Mximo em

Tubules em Rocha ........................................................................... 120

FIGURA 7.11 Geometria das Sapatas ....................................................................... 123FIGURA 7.12 Esforos Aplicados e Tenses sob as Sapatas ................................... 125

FIGURA 7.13 Esquema de Equilbrio de Sapatas, de Acordo com o USBR ............ 126

FIGURA 7.14 Esquema de Equilbrio Vertical Trao das Sapatas ....................... 127

FIGURA 7.15 Esquema de Verificao ao Arrancamento das Sapatas, de Acordo

com o USBR ...................................................................................... 130

FIGURA 7.16 Seo Circular Adotada no Fuste para Dimensionamento da Flexo 132

FIGURA 7.17 Seo Circular Adotada no Dimensionamento da Armadura

Transversal do Fuste .......................................................................... 132

FIGURA 7.18 Sees de Referncias para o Clculo de Momentos nas Bases ........ 134FIGURA 7.19 Geometria dos Blocos ........................................................................ 138

FIGURA 7.20 Bloco Embutido em Rocha Atrito Lateral ...................................... 140

FIGURA 7.21 Tenses nos Blocos ............................................................................ 141

FIGURA 7.22 Correlao entre Tenses e ngulo em Blocos .............................. 142

FIGURA 7.23 Bloco Sobre 1 Estaca ......................................................................... 145

FIGURA 7.24 Bloco Sobre 2 Estacas ........................................................................ 145



FIGURA 7.27 Estaqueamento com Cintas de Contraventamento ............................. 147FIGURA 7.28 Linhas de Ruptura em Blocos sobre n Estacas .................................. 151

FIGURA 7.29 Bielas de Compresso em Blocos ...................................................... 152

FIGURA 7.30 Distribuio das Tenses de Fendilhamento em Bloco Sobre 1

Estaca ................................................................................................. 154

FIGURA 7.31 Armadura Contra Fendilhamento em Bloco Sobre 1 Estaca ............. 156

FIGURA 7.32 Bloco Ancorado em Rocha Geometria ........................................... 158

FIGURA 7.33 Chumbador em Rocha Geometria ................................................... 161

FIGURA 7.34 Chumbador em Rocha Aderncia Ao x Argamassa ...................... 163


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xiv

FIGURA 7.35 Chumbador em Rocha Argamassa x Rocha ................................... 163

FIGURA 7.36 Chumbador em Rocha Interferncias entre Cones de

Arrancamento .................................................................................... 165FIGURA 7.37 Grelha Metlica (GS) ......................................................................... 166

FIGURA 7.38 Grelha Metlica com Laje de Concreto (GLC) .................................. 169

FIGURA 7.39 Grelha Metlica com Bloco de Concreto (GBC) ............................... 172

FIGURA 7.40 Ancoragem para Estais ...................................................................... 175

FIGURA 8.1 Domnio de Aplicao de uma Torre Vo de vento x Vo Gravante 180


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LISTA DE TABELAS

Apresentao

TABELA 4.1 Coeficientes de Rugosidade do Terreno ......................................... 34

TABELA 4.2 Valores de n para Correo da Velocidade do vento em Funo

da altura .......................................................................................... 36

TABELA 6.1 Grau de Fraturamento das Rochas .................................................. 66

TABELA 6.2 Parmetros Geotcnicos dos Solos Correlao com o SPT ......... 79

TABELA 6.3 Fatores de Forma ............................................................................ 84TABELA 6.4 Coeficientes de Carga em Funo de .......................................... 85

TABELA 6.5 Fatores de Capacidade de Carga (Hansen) ..................................... 89

TABELA 7.1 Fator de Forma e Coeficiente de Arrancamento em Funo de ... 177


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NOTAES

a - dimenso, largura

Ab - rea da base

Ac - rea de uma seo transversal de concreto

Af - rea efetiva de uma fundao

Ai - esforo de vento na cadeia de isoladores

Al

- rea da superfcie lateral

ALT - altitude mdia da regio de implantao da LT

As - rea de ao

At - esforo de vento sobre um tronco da torre

B - dimenso, largura

c - coeso

C - peso de um volume de concreto

Cr - coeficiente de recalque do solo

Cxc - coeficiente de arrasto dos cabos

Cxi

- coeficiente de arrasto da cadeia de isoladores

CxT1 - coeficiente de arrasto da face 1 da torre

CxT2 - coeficiente de arrasto da face 2 da torre

D - profundidade de uma fundao

d - altura til de uma seo de concreto

d - dimetro do cabo

e - ndice de vazio no solo

E - mdulo de elasticidade

fadm - tenso de atrito lateral admissvel

fck - resistncia caracterstica compresso do concretoFS - fator de segurana

FSA - fator de segurana ao arrancamento

ftd - resistncia trao de projeto do concreto

ftk - resistncia caracterstica trao do concreto

fyd - resistncia ao escoamento de projeto do concreto

Gpp - peso prprio total de uma fundao

Gtub - peso prprio do tubulo

h - profundidade do nvel de gua


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h - dimenso

H - fora horizontal

H - alturaH - profundidade

Ht - fora de trao na torre devida a cabo rompido

I - momento de inrcia

K - coeficiente de empuxo do solo

K0 - coeficiente de empuxo do solo em repouso

K1 - coeficiente de majorao de cargas mximas de peso de cabos

K2 - coeficiente de majorao de cargas

K3 - coeficiente de majorao para cargas transversais originadas da trao dos cabos

Ka - coeficiente de empuxo ativo do soloKd - relao entre valores de vento para diferentes perodos de integrao

Kr - coeficiente de rugosidade

Kp - coeficiente de empuxo passivo do solo

kV - quilovolt

L - dimenso, comprimento

lb - comprimento de ancoragem reduzido

lb1 - comprimento de ancoragem

M - momento

Mr - momento resultanteN - nmero de golpes no ensaio SPT

N - fora normal

n - porosidade

n - nmero de estacas

n - fator para correo da velocidade do vento em funo da altura

Nc - fator de capacidade de carga

Nk - fora normal caracterstica

Nq - fator de capacidade de carga

Nu - fora normal ltimaN - fator de capacidade de carga

P - peso ou carga aplicada

p - presso

Pa - peso da gua

Pc - peso do concreto

Pc - peso do cabo por unidade de comprimento

Pcf - peso da cadeia de isoladores

PF - peso da fundao


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Ps - peso do solo

Pu - carga ltima

Q - foraq - sobrecarga

q0 - presso dinmica de referncia do vento

qa - tenso admissvel do solo

qadm - tenso admissvel do solo

qs - tenso atuante no solo

qu - tenso de ruptura do solo (ltima)

S - grau de saturao

Sc - fator de forma

Si - rea da cadeia de isoladoresST1 - rea lquida total projetada sobre um plano, na direo da face 1 da torre

ST2 - rea lquida total projetada sobre um plano, na direo da face 2 da torre

S - fator de forma

T - fora de trao

T - valor da carga axial num cabo

T - perodo de retorno

T0 - valor da carga mxima horizontal num cabo

t - temperatura coincidente

t - perodo de integrao do ventoV - volume

V - fora cortante

Va - volume de gua

Vb - velocidade bsica do vento

Vc - carga vertical devida ao peso do cabo

Vg - comprimento do vo gravante

VI - peso majorado da cadeia de isoladores e suas ferragens

Vp - velocidade do vento de projeto

Vs - volume do soloVv - volume de vazio no solo

W - peso de um volume de solo

w - teor de umidade

xi - abscissa de um ponto

yi - ordenada de um ponto

Z - dimenso, distncia

Z - fora, resultante

Z - brao de alavanca


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xix

z - fator multiplicador de T0, para cabo rompido

- fator de efetividade

- ngulo - peso especfico do solo natural

- peso especfico do solo submerso

- ngulo de mudana de direo do caminhamento de uma LT

d - peso especfico aparente do solo seco

s - peso especfico dos gros slidos do solo

w - peso especfico da gua

c - coeficiente de minorao da resistncia do concreto

f - coeficiente de majorao das foras

nat - peso especfico do solo naturalsat - peso especfico do solo saturado

sub - peso especfico do solo submerso

- ngulo de atrito entre o solo e a fundao

- ngulo

- ngulo de incidncia do vento

- massa especfica do ar

- afloramento da fundao (trecho externo), comprimento varivel

h - afloramento da fundao (trecho externo), comprimento varivel

- tenso normal efetivac - tenso de compresso

t - tenso de trao

bu - tenso de aderncia ltima, ao x concreto

RA - tenso de aderncia, ou de atrito da rocha

- ngulo de atrito interno do solo

- ngulo

- dimetro

- fator de ponderao


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ABREVIATURAS

ABNT - Associao Brasileira de Normas Tcnicas

ABCP - Associao Brasileira de Cimento Portland

ABEF - Associao Brasileira de Empresas de Engenharia de Fundaes e Geotecnia

ABMS - Associao Brasileira de Mecnica dos Solos e Engenharia Geotcnica

adm - admissvel

CEB - Comit Euro-International du Bton

CEI - Commission Electrotechnique Internationale

CESP - Companhia Energtica de So Paulo

COTEC - Cooperativa Tcnica Editora

Ed. - Editora

FIP -International Federation for Prestressing

FS - fator de segurana

FSA - fator de segurana ao arrancamento

GBC - grelha metlica com bloco de concreto

GLC - grelha metlica com laje de concreto

GS - grelha simples (grelha metlica)

IEC -International Electrotechnical Commission

LT - linha de transmisso

max - mximo

min - mnimo

N. A. - nvel de gua

RQD - rock quality designation

SAE - Societ Anonima Elettrificazine S.P.A.

SBE - Sociedade Brasileira de Eletrificao S. A.

SE -subestao eltrica

SPT -standard penetration test

sub - submerso

USBR - United States Department of The Interior Bureau of Reclamation


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xxi

RESUMO

Este texto rene as informaes necessrias para o projeto de fundaes de torres de linhas

de transmisso, bem como de torres de telecomunicao, obtidas ao longo de anos de

atuao, do autor, na rea de projetos.

Aqui so estudadas a origem e a natureza das cargas que solicitam as estruturas, as quais

tm as fundaes como apoio.

Este texto contm tambm informaes bsicas de geologia e de geotecnia, para o

entendimento do comportamento dos solos sob o carregamento dessas fundaes especiais.

Aqui so apresentados os procedimentos de projeto de cada um dos principais tipos de

fundaes atualmente utilizadas. Esto includos tambm os passos para a elaborao de

todas as atividades envolvidas no processo do engenheiro projetista das fundaes: anlise

do perfil da linha, anlise das informaes dos solos, estudo do tipo da torre e de suas

combinaes de cargas, escolha do tipo de fundao, e finalmente seu projeto.

O texto pretende fornecer informaes no somente ao projetista de fundao, mas tambm

aos geotcnicos, aos engenheiros eletricistas, e aos engenheiros eletricistas de

telecomunicao, que participem do projeto. Isto explica a adoo, em diversas partes do

texto, de uma linguagem tcnica simples ao alcance de todos estes profissionais, alm de

informaes muitas delas indispensveis ao engenheiro projetista de fundaes.


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ABSTRACT

This text gathers the necessary information to the design of foundations of transmission

lines towers and telecommunications towers, collected by the author during his working-

life in structure design.

The origin and nature of the loads applied to the structure which has the foundations as

support are studied here.

This text also brings basic information about geology and geotechnical enginnering that

helps to know the soil behavior under the loadings of these special foundations.

The design process to each one of the main type of foundations used nowadays is presented

here. The steps to the working up of project with all the activities involved in the process

are presented: the line profile analysis, the soil information analysis, the study about the

tower type and the load combinations, the choice of foundation and, finally, the project.

The text is intended to provide information not only to the foundation designer engineer,

but also to geotechnicians, electrical engineers and electrical engineers of

telecommunication, that take part in the project. This explains the use, in many parts of the

text, of a simple technical language, that all these professionals can understand. For the

same reason, much information, essential for the foundation designer engineer, were kept.


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1INTRODUO

1.1 Histrico

No incio do Sculo XX, o crescente aumento dos centros urbanos e industriais provocou oaumento da demanda de energia eltrica.

A instalao de centrais de gerao de energia eltrica a partir do potencial hidrulico,

geralmente prximas das quedas de gua e longe dos centros de consumo, implicou na

necessidade imediata de expanso das linhas de transmisso.

Posteriormente aos incrementos de sua quantidade, as linhas de transmisso tiveram que se

adequar ao crescimento das potncias transmitidas, fato causador de importantes

modificaes nos suportes dos cabos as torres. Seja pelo maior afastamento entre as fases

(cabos), ou mesmo entre os cabos e a estrutura, seja pela maior distncia entre suportes,

passou-se do uso da madeira ao ao e das estruturas planas (poste e cruzetas) s torres

treliadas espaciais ou estaiadas. Assim, cada vez mais, esses suportes passaram a ser

executados em estruturas de ao.


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INTRODUO 2

Atualmente, em funo de sua influncia no custo de uma linha de transmisso, cada torre

exige um projeto independente, nico, funo das cargas aplicadas, e da topografia do local

de implantao. No entanto procurou-se padronizar os tipos de torres, com o objetivo de

obter economia na fabricao, no transporte e na montagem, atendendo ao princpio da

economia de escala nessas atividades.

Com o advento e recente boom das telecomunicaes as torres de suporte de antenas

esto sendo executadas tambm em ao, acompanhando a tendncia das torres de linhas de

transmisso.

As fundaes para essas torres, projetadas para os tipos de carregamentos que nelas atuam,

tambm sofreram essa tendncia padronizao, com vistas obteno de semelhante

economia de escala.

1.1.1 Os Projetos de Linhas de Transmisso no Brasil

relativamente recente a indstria de fabricao de torres metlicas em srie no Brasil.

Pode-se dizer que ela iniciou na dcada de 1950, para a implantao das linhas de

transmisso em Minas Gerais, no Sistema de Salto Grande. Essas primeiras torres

utilizaram ao importado da Itlia.

Cita-se uma das empresas pioneiras desta poca a SBE Sociedade Brasileira de

Eletrificao S. A., originria da SAE Societ Anonima Elettrificazione S.P.A., empresa

italiana.

A demanda crescente de energia e consequente necessidade de linhas de transmisso,

trouxeram a implantao de fbricas das estruturas das torres, cabos, isoladores, ferragens,

etc., no territrio brasileiro.


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INTRODUO 3

Paralelamente a esse desenvolvimento houve a necessidade de se fazer projetos mecnicos

das torres aqui no Brasil. Assim equipes especializadas de projetistas foram montadas, as

quais comearam a atender, no s demanda brasileira, como tambm demanda dos

outros pases da Amrica do Sul.

J na dcada de 1970 a popularizao de computadores, e na dcada seguinte dos

computadores pessoais, levou a uma revoluo nos projetos das torres de linhas de

transmisso.

Os processos de clculo mais utilizados naquela poca eram o Processo Grfico de soluode trelias planas (Cremona), e o Mtodo das Sees.

Esses processos induzem simplificao dos modelos das torres, bem como a uma escolha

de um nmero reduzido de hipteses de carregamento. Para exemplificar cita-se que se

calculava a torre mais alta e a mais baixa para um determinado tipo de torre.

Com a introduo do clculo eletrnico na engenharia estrutural, os projetos de torres

assistiram a uma sofisticao tal que so analisadas, para um tipo de torre, todas suas

alturas e combinaes possveis de ps de alturas variveis.

Aliviados dos trabalhosos clculos manuais, os projetistas das torres puderam fazer anlises

mais realistas dos carregamentos e dos comportamentos das torres. Consequentemente, as

reaes nas fundaes ficaram mais reais e com maior certeza de seus valores.

Sempre so executados ensaios em prottipos, quando se desenvolve o projeto de umafamlia de torres, que um conjunto de torres as quais sero utilizadas em linhas de

transmisso semelhantes.

A somatria dos inmeros projetos j desenvolvidos no Brasil, aliados aos conhecimentos

obtidos naqueles ensaios, conduz afirmativa de que este conhecimento e a tecnologia de

torres j esto absorvidos e bem desenvovidos atualmente no Brasil.


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INTRODUO 4

No caso dos projetos de fundaes, dentro daquelas equipes pioneiras tambm foram

mobilizados projetistas de fundaes de torres: engenheiros de estruturas, gelogos e

geotcnicos.

Os projetos das fundaes sempre foram baseados nos conceitos da Mecnica dos Solos

clssica. Da permanecerem as bases ditadas por Terzaghi, e seus sucessores, nos projetos

das fundaes das torres.

Trabalhos sobre o comportamento das fundaes e propostas para o seus projetos foramacrescidos literatura tcnica mundial neste mesmo perodo de implantao das grandes

linhas de transmisso no Brasil. Isto acompanhou o desenvolvimento experimentado pela

Mecnica dos Solos tambm no mesmo perodo. Assim, conceitos e novos modelos foram

propostos, discutidos e incorporados aos projetos das fundaes.

Exemplo disso a utilizao do conceito de considerar o solo como meio elstico (viga em

base elstica) nos estudos de fundaes com carregamento lateral (fora horizontal e

momento).

Tambm nas fundaes das torres o emprego de clculo eletrnico permitiu modelos mais

sofisticados em suas anlises, eliminando as simplificaes que os mtodos de clculo

manuais exigiam.

Em fundaes consideradas especiais, por exemplo, blocos sobre estacas, aquele recurso

permite anlise de estaqueamentos espaciais com todo tipo de vinculao das estacas com obloco (articulao, engaste total, ou engaste parcial). Alm disso o clculo eletrnico

permitiu ainda levar em considerao a interao do solo com a fundao, no que tange a

considerar o solo como meio elstico. Essa tcnica chega ao requinte de poder considerar

o solo, do local da torre, com as suas caractersticas variveis com a profundidade

(consistncia ou compacidade). Tais caractersticas podem ser obtidas num simples

reconhecimento do subsolo atravs de uma sondagem tipo SPT.


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INTRODUO 5

Dentro desse quadro descrito anteriormente, muito foi feito atravs da divulgao tcnica,

de Grupo de Estudo do CIGR Conseil International des Grands Rseaux Electriques,

entre os projetistas de fundaes de torres

Neste grupo esto associados projetistas de concessionrias de energia eltrica, empresas de

projeto, entidades pblicas e privadas, universidades, etc.

Atravs dos encontros do CIGR os projetistas de fundaes de torres debateram e criaram

consenso em propostas e modelos das estruturas de fundao. De certo modo, ocorreu umaadequao dos modelos existentes realidade brasileira.

Houve uma poca em que as concessionrias de energia promoveram, junto com o CIGR-

Brasil, ensaios de campo, para casos de arrancamento de sapatas, grelhas metlicas, grelhas

metlicas com laje e tubules.

Esses ensaios permitiram aferir resultados tericos com os obtidos em campo, alm de

fornecerem dados para comparao entre teorias existentes no caso de arrancamento,

medindo a eficincia de cada teoria empregada.

No final da dcada de 1960 a Universidade de Grenoble (Frana) em convnio com o

CIGR, desenvolveu um estudo das fundaes submetidas a arrancamento, baseados nos

conceitos da Mecnica dos Solos. E os resultados, chamados de Mtodo de Grenoble, ainda

hoje so referncias na anlise dessas estruturas.

Vale salientar que o mtodo baseado tanto em bases tericas como em resultados de

ensaios efetuados em modelos e prottipos. L foram estudadas estacas, placas e sapatas

com sees transversais circulares e retangulares.

Acrescenta-se ainda que esse modelo no considera qualquer considerao da influncia de

esforos horizontais na capacidade de carga trao das estruturas.


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INTRODUO 6

Como no Brasil o uso de tubules com alargamento de base bastante difundido, coube aos

projetistas brasileiros a adequao dos tubules aos conceitos do Mtodo de Grenoble.

Todos os conceitos para os projetos de fundaes sempre ficaram dentro das empresas de

projeto e fabricao de torres, alm das concessionrias de energia eltrica, que muitas

vezes desempenharam o papel de analisar os projetos da fabricante.

A divulgao dos princpios que norteiam os projetos mecnicos das torres, somados aos

novos conceitos obtidos pela geotecnia, propiciaram um tratamento especial para as

estruturas de fundao de torres. Como resultado obtiveram-se fundaes mais econmicase seguras no sentido do maior conhecimento sobre as cargas atuantes nelas, bem como

sobre o comportamento, ou reao, do solo.

Como o desenvolvimento em larga escala das torres de telecomunicao s iniciou na

dcada de 1980, seus os projetos de fundaes j tinham conhecimento prvio das sua

similares de torres de linhas de tranmisso, no havendo necessidade de incrementos

especficos nesta rea.

Apesar dos esforos dos projetistas eltricos, civis, gelogos e geotcnicos, a rea de

projetos de fundao de torres ainda permanece com poucos trabalhos publicados que,

unificados num s volume, exprimem os atuais nveis de conhecimentos nesta rea.

1.2 Objetivo da Dissertao

O objetivo deste trabalho apresentar as diretrizes que norteiam o traado das linhas de

transmisso, os tipos de fundao utilizados nas torres de linhas de transmisso e de

telecomunicao, bem como o atual estado da arte nesse item da engenharia estrutural.

So indicados procedimentos usuais na escolha do tipo de fundao a ser utilizada, bem

como os parmetros necessrios para a tomada dessa deciso.


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INTRODUO 7

Alm disso, so apresentados modelos de clculo de cada um desses tipos de fundao,

bem como o dimensionamento de seus elementos estruturais.

1.3 Apresentao da Dissertao

Esta dissertao est dividida em nove captulos, sendo este o primeiro.

No captulo 2 descrevem-se, de maneira suscinta, as diretrizes que devem orientar a locaode linhas de transmisso, e aspectos construtivos relativos ao impacto ambiental.

No captulo 3 so apresentados os tipos usuais de torres.

No captulo 4 relacionam-se as cargas e as hipteses de carregamentos atuantes nas torres,

assim como cargas por elas transmitidas s fundaes.

O captulo 5 trata da proteo das fundaes.

O captulo 6 descreve as informaes complementares necessrias implantao das

fundaes.

Inclui-se apresentao de caractersticas do solo, condicionantes do comportamento e

dimensionamento das fundaes.

O captulo 7 descreve os mtodos de clculo das fundaes das torres.

O captulo 8 apresenta informaes adicionais pertinentes ao assunto objeto da dissertao.

O captulo 9 apresenta as concluses do trabalho e sugestes para sua continuidade.


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2

CONHECIMENTO DO PROBLEMA

2.1 Implantao de Linhas de Transmisso

O projeto de implantao de uma linha de transmisso inicia com a definio de seu traado(GONTIJO, 1994).

Uma vez definido o traado, a prxima etapa do projeto o levantamento topogrfico, no

campo, com o objetivo de obter o perfil do terreno.

Esse levantamento tambm deve indicar os principais obstculos, acidentes, e ocorrncias

que se encontram na largura da faixa de servido da LT. Somente com um levantamento

topogrfico bem executado que se pode trabalhar as prximas etapas do projeto, evitando

futuras relocaes de torres, ou desvios do traado da LT.

Com esses dados em mos as torres so locadas, uma a uma, considerando-se vrios fatores

que definem a segurana, a otimizao do projeto, bem como as caractersticas particulares

de cada tipo de torre. Como exemplo pode-se citar alguns procedimentos ou diretrizes:


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CONHECIMENTO DO PROBLEMA 9

- minimizar a quantidade de torres;- espaar as torres de maneira uniforme;- garantir a distncia mnima dos cabos ao solo;- evitar paralelismo da LT com outras linhas de transmisso, linhas frreas, cercas

de arames, etc;

- evitar locao de torres em locais imprprios, como terrenos muito ngremes,terrenos com processos francos de eroso, brejos, beiras de lagos ou rios, etc.

Geralmente as torres de linhas de transmisso percorrem as distncias buscando, sempre

que possvel, uma trajetria reta, e evitando grandes acidentes geogrficos, como porexemplo, travessias de rios muito largos, e terrenos de baixssima capacidade de suporte.

Outros parmetros tambm so considerados na escolha do traado, como a valorizao e a

ocupao da terra por onde poder passar a LT. Exemplo disso o contorno de regies j

ocupadas por parques industriais, reservas indgenas, parques ecolgicos, terras irrigadas

por pivs centrais, etc.

O perfil de uma linha de transmisso est mostrado na FIG. 2.1 para se ter idia das

informaes necessrias para sua implantao.

J as torres de telecomunicao, pela prpria natureza das ondas de rdio, devem evitar

obstculos naturais e por isso so locadas em lugares altos, como topos de morros.

2.2 Aspectos Construtivos com Vistas ao Impacto Ambiental

Do ponto de vista da implantao das torres e de suas fundaes em si, o traado das linhas

deve considerar situaes particulares que contemplem o menor impacto possvel ao meio

ambiente.


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FIGURA 2.1 Perfil de uma Linha de Transmisso


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Esses cuidados so tomados j na escolha do perfil da linha, ao se considerar cada local de

implantao da torre.

A otimizao dos pontos de locao busca minimizar as intervenes nos locais de

instalao das torres bem como nos acessos utilizados para sua construo.

Os servios podem ser divididos em trs etapas a saber:

- 1

a

Etapa projeto e definio de estratgia para execuo da obra;- 2a Etapa execuo da obra;

- 3a Etapa manuteno da LT ou da antena.

Na 1a Etapa so consideradas as facilidades de acesso aos locais de implantao das torres.

Nesta etapa so estudadas trilhas ou estradas de acesso que no causem degradao no

local.

Na praa prevista para a implantao de uma torre, dependendo da topografia, poder ser

proposta a relocao desta torre, visando evitar-se buracos, barrancos, ou mesmo

construo de arrimos.

J na 2a Etapa, fase de implantao da obra em si, tem-se alguns cuidados, quando no se

consegue evitar aes de interveno no local.

Com relao s fundaes das torres, procura-se alterar, o mnimo possvel, o terreno ondeesto os ps das torres. O prprio projeto das torres j minimiza esses impactos ao se

projetar estruturas com ps de alturas variveis, que acompanham os desnveis do

terreno, permitindo fundaes isoladas e pontuais.


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FIGURA 2.2 Sees Transversais

MINERAO GUA DO CAMPO

MAC PROJETO SANTA ANA


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A FIG. 2.2 mostra as sees topogrficas nas diagonais dos ps de uma torre quadrada,

onde se tem exatamente as cotas dos topos das fundaes para cada p. Nesta figura pode-

se observar tambm a otimizao dos afloramentos das fundaes, seus trechos externos,

onde so utilizados ps da torre com alturas diferentes. Os afloramentos giram em torno de

25 cm para o P A, 20 para o P B, 85 cm para o P C, e 40 cm para o P D. Al tambm

se observa a perna bsica da torre, que aquela que tem o nvel mais prximo da cota

mdia do centro da torre. No caso da FIG. 2.2 a perna A.

As principais orientaes para se minimizar o efeito das intervenes no local de

implantao das torres esto indicadas a seguir:

- escolha do tipo de fundao que exija a menor escavao, o menor reaterro, e omenor bota-fora possveis. Isto sem prejuzo de sua segurana;

- execuo de pequenas obras de drenagem localizadas, que evitem eroses, tantonos locais das torres, quanto nas estradas de acesso;

- execuo de pequenas obras, tambm com o intuito de drenagem do local delocao da torre, e de seu entorno;

- recomposio vegetal dos locais de implantao das fundaes das torres, casonecessria;

- recomposio vegetal, se necessria, ao longo da faixa de servido da LT, comgramneas ou vegetao baixa;

- execuo de contenes e de protees de taludes e de encostas, alm de outrosservios de proteo ou correo.

A 3a Etapa dos trabalhos consiste na manuteno do patrimnio implantado. Nesta etapaso consideradas as manutenes de sinalizaes das torres, dos cabos, dos isoladores, das

fundaes, dos acessos, das faixas de servido, e de todas as obras implantadas.

Esta etapa acompanha e segue planos de manuteno preventiva e de manuteno

peridica, planos estes especficos para cada linha ou torre implantada.


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3

TIPOS DE TORRES

As torres usuais de LT e de telecomunicao podem ser classificadas de vrias maneiras.

As torres de LT podem ser subdivididas, com vistas ao projeto da estrutura, da seguinte

maneira (GONTIJO, 1994):

- Quanto disposio dos cabos condutores;- Quanto ao nmero de circuitos eltricos que elas suportam;- Quanto sua funo na linha;- Quanto forma de resistncia das estruturas (autoportantes e estaiadas);- Quanto voltagem da linha;- Quanto ao formato da silhueta da torre.

Para essas mesmas torres pode-se, do ponto de vista dos projetos de suas fundaes, dividi-

las, simplificadamente, como se segue.


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TIPOS DE TORRES 15

3.1 Quanto ao Sistema Estrutural

Basicamente as torres podem ser subdivididas em dois grupos, quanto ao sistema estrutural:

- Autoportantes;- Estaiadas.

As primeiras so aquelas que tm seu equilbrio garantido em funo de sua prpria

estrutura, sem a necessidade de uma subestrutura para contribuir para sua estabilidade (FIG.

3.1 e 3.2).

Essas constituem a maioria das torres existentes no Brasil, embora essa hegemonia esteja

sendo alterada.

As torres estaiadas so aquelas que utilizam estais (cabos tracionados) fixados ao solo

numa das extremidades, e na outra, ao corpo da torre, garantindo sua estabilidade (FIG.

3.3).

Geralmente os estais fazem um ngulo de 30 com a direo vertical, e so fixados nas

partes superiores das torres. Desta maneira os ps dos estais fixam-se no solo a distncias

razoveis do p da torre. Em terrenos acidentados este tipo de torres no tem aplicabilidade

ideal, comparadas s autoportantes que so mais compactas que as estaiadas, o que exige

menor espao na implantao.

Assim a topografia do traado da linha de transmisso, ou o espao disponvel, determina o

tipo de sistema estrutural a ser utilizado no projeto das torres.

As torres estaiadas tm suas estruturas bem mais leves e esbeltas que as autoportantes. As

autoportantes so mais pesadas, portanto mais caras, e essa diferena aumenta quanto mais

altas forem as torres.


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TIPOS DE TORRES 16

FIGURA 3.1 Silhueta de Torre Autoportante de LT


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TIPOS DE TORRES 17

FIGURA 3.2 Desenho Esquemtico de Torre Autoportante de Telecomunicao

Houve uma poca em que as torres estaiadas eram utilizadas apenas em linhas de grandes

potncias, por exemplo, 500 kV, e quase inexistindo em linhas de 345, 230 ou de 138 kV.

Atualmente essas torres tm tomado espao inclusive nestas ltimas categorias de LT.

No caso das torres de telecomunicaes, por exemplo, torres de rdio, so mais freqentes

as torres do tipo estaiadas. E no caso de telefonia so mais comuns as autoportantes, por

ocuparem menos espaos na fundao, mesmo porque essas torres, em sua maioria, estoem reas urbanas.

MINI LINK

ANTENAS

SETOR

UNIDADE

REMOTA

LINK

UNIDADE

PRINCIPALPLATAFORMA

DE DESCANSO

PLATAFORMADE

TRABALHO


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TIPOS DE TORRES 18

FIGURA 3.3 Silhueta de Torre Estaiada de LT

3.2 Quanto sua Funo na Linha

As torres de linhas de transmisso podem ser divididas, simplificadamente, em trs tipos

bsicos:

- terminais ou fim de linha;- torres de suspenso;- torres em ngulo.


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TIPOS DE TORRES 19

As torres fim de linha, como o prprio nome indica, so aquelas colocadas ou no incio, ou

no final, das LT, a fim de ancorarem os esforos provenientes dos cabos condutores e dos

cabos pra-raios. Geralmente essas torres so do tipo autoportante.

Essas torres tm as estruturas robustas, e geralmente so projetadas para resistirem aos

esforos dos cabos em ngulos, ou seja, com o eixo da linha no coincidente com o eixo da

torre.

As torres de suspenso so aquelas locadas em trechos retos, ou em trechos em que se

admite pequenos ngulos, geralmente menores que cinco graus, podendo ser autoportantesou estaiadas.

Finalmente as torres em ngulo so aquelas locadas nos pontos de mudana de direo do

traado da linha. Elas tambm so chamadas de torres de ancoragem, pois resistem s

resultantes dos esforos dos cabos nas diagonais das direes entre seus eixos.

Normalmente essas torres so autoportantes.

No desenvolvimento de famlias de torres para uma determinada categoria de linhas, por

exemplo, LT de 138 kV, essas torres em ngulo tm duas representantes. Uma delas seria a

torre para ngulo pequeno (0 < 30). A outra seria para ngulo maiores (30 < 60),

e muitas vezes esse ngulo mximo vai at 90, o que faz com que essas torres sejam

utilizadas como torres de fim de linha tambm.

Com relao s torres de telecomunicao, essa classificao anterior no se aplica. Isto

porque elas so isoladas umas das outras, no estando ligadas por cabos. No h

interao fsica entre elas, tornando-as idnticas entre si do ponto de vista funcional.


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TIPOS DE TORRES 20

3.3 Outros Tipos Usuais de Torres

As torres descritas anteriormente so, geralmente, metlicas treliadas, com sees

variveis, com mais de um p e/ou estai.

Existem outros tipos de torres, como por exemplo, as monotubulares que so torres

metlicas de seo transversal em forma de poligonal fechada. So verdadeiros tubos

modulares que se encaixam uns nos outros, alcanando alturas razoveis (60 a 70 m).

Essas torres geralmente so utilizadas em linhas de tenses pouco elevadas. A vantagem

que elas so bastante compactas, no chegando a ter bases com dimetros grandes (menores

que 2 m).

A aplicao desse tipo de torre tem sido tanto em LT, como para torres de telefonia. Elas

so utilizadas tambm para iluminao pblica de grandes reas, onde se exige torres de

grande altura.

Outro tipo de torre, que merece ser nomeado aqui, a torre treliada de seo transversal

constante, bastante compacta que comercialmente chamada de truss-pole. Elas so

utilizadas em linhas onde h pouco espao disponvel para o lanamento de uma LT. Essas

torres so aplicadas tambm em linhas de distribuio e em LT de tenses pouco elevadas.


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TIPOS DE TORRES 21

FIGURA 3.4 Perfis de Torres Monotubulares de LT

Torres de concreto armado tambm so utilizadas nas linhas de transmisso, de

distribuio, iluminao, e em telefonia. Geralmente essas torres, ou postes, so em

concreto pr-moldado, chegando a ter alturas da ordem de 30 m.

Nos sistemas de telecomunicao, essas torres de concreto so tambm utilizadas,

chegando mesmo a 60 m de altura.


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4CARREGAMENTOS NAS TORRES

As aes atuantes nas fundaes so devidas s torres basicamente. Raramente se tm

situaes em que existem outros carregamentos atuando nas fundaes. Pode-se

exemplificar como essas aes adicionais o empuxo de solo, a presso de gua, os impactosde objetos, de veculos, etc.

A origem e a natureza das cargas aplicadas nas fundaes so as mesmas dos esforos

atuantes nas torres. Portanto ao se estudar as cargas que solicitam as torres esto sendo

avaliadas as aes sobre as fundaes.

Entende-se ser de fundamental importncia a anlise dessas cargas, pois, sua combinao, e

as hipteses de carregamentos podero determinar o grau de exigncia, ou tolerncia, com

relao ao desempenho das fundaes.

A seguir sero abordadas essas cargas e as hipteses de como elas atuam nas torres.


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CARREGAMENTOS NAS TORRES 23

4.1 Cargas Verticais

As cargas verticais que atuam nas torres so aquelas devidas ao peso prprio da torre, da

cadeia de isoladores e suas ferragens, alm do peso dos cabos condutores e dos pra-raios.

Existem tambm cargas verticais devidas a equipamentos e a sobrecargas em plataformas

de manuteno, como o caso das torres de telecomunicao.

Nas torres de linhas de transmisso o peso do cabo que atua sobre uma torre corresponde aovo gravante, ou vo de peso. Esse vo considerado como a distncia horizontal entre os

pontos que tm tangente horizontal com as catenrias dos vos adjacentes torre em

questo (FIG. 4.1).

FIGURA 4.1 Vo de peso de uma torre


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A carga vertical que o cabo descarrega na torre nem sempre dirigida de cima para baixo.

A situao da FIG. 4.2 ilustra o caso em que o cabo da direita introduz arrancamento na

torre.

Quando isto ocorre dito que a torre est sob carga reduzida, e esta uma situao

prevista no dimensionamento da torre.

Nas torres de suspenso os cabos ficam pendurados nas cadeias de isoladores, que ficam na

posio vertical e so mveis. Assim essas cadeias s aceitam cargas de trao. Desta

maneira as torres de suspenso no podem ser submetidas ao arrancamento, como acontece

nas situaes de carga reduzida.

As torres de ancoragem que suportam os arrancamentos, pois suas cadeias de isoladores

ficam na horizontal, permitindo a inverso da carga vertical na torre.

FIGURA 4.2 Torre sob arrancamento parcial

A NBR 5422 sugere multiplicar as cargas permanentes por um fator mnimo de:

- K1 = 1,15 para as cargas mximas de peso de cabos;


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- K2 = 1,00 para o peso prprio da torre, para as ferragens dos cabos, para ascadeias de isoladores, e para as cargas verticais reduzidas.

O valor da carga vertical sobre a torre, devida ao peso do cabo pode ser calculado por:

gc1c VPKV = (4.1)

Onde:

- Pc o peso do cabo por unidade de comprimento;

- Vg o comprimento do vo gravante, ou vo de peso;

- K1 tomado igual a 1,15 no caso de vo gravante mximo. E ser tomadocomo igual a 1,00 para vo gravante mnimo, ou no caso de vo reduzido.

O peso da cadeia e de suas ferragens pode ser calculado por:

cf2I PKV = (4.2)

Onde:

- Pcf o peso da cadeia de isoladores;- K2 tomado igual a 1,00.

Na prtica usual adotar para K2 os mesmos valores de K1 (1,15 e 1,00) por simplificao.

4.2 Esforos de Trao Axial nos Cabos

Na operao de lanamento dos cabos eles so tracionados com valores de cargas tais que

apresentem uma flecha pr-determinada. Quanto menor a flecha maior o valor da tenso

de trao no cabo. Esta operao feita atendendo a uma tabela de esticamento do cabo,

cujas variveis so: flecha, tenso no cabo e a temperatura.

O valor da temperatura do cabo influencia sobremaneira nos valores dessas cargas de

trao, quanto menor a temperatura maior a carga nesses cabos. A variao das tenses


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devida temperatura maior nos vos menores. E para se avaliar a carga mxima de trao

num cabo, deve-se faz-lo com a menor temperatura que o cabo experimentar em sua vida

til, considerando ainda a ao simultnea do vento.

FIGURA 4.3 Cabo sob variao de temperatura

maior flecha do cabo corresponde a menor distncia do cabo ao solo. Esta ltima medida

chamada de distncia de segurana. Seu valor mnimo calculado em funo da natureza

da regio ou obstculos que a linha atravessa, e tambm da tenso eltrica da linha.


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FIGURA 4.4 Distncia de segurana cabo x solo

A ao mecnica dos cabos pode gerar esforos na torre, que so subdivididos em duas

aes: carga transversal e carga longitudinal.

4.2.1 Cargas Transversais

Quando o caminhamento da linha de transmisso muda de direo, surge uma componente

transversal da carga atuante no cabo.


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FIGURA 4.5 Componente transversal da ao dos cabos

Esse esforo transversal a ser considerado atuando na torre pode ser avaliado atravs da

frmula seguinte, onde se considera que o plano transversal da torre contenha a bissetriz dongulo entre os cabos.

=2

senTK2T 03 (4.3)

Onde:

- T0 valor mximo (horizontal) de trao mecnica do cabo;- valor do ngulo de mudana de direo;- K3 fator de majorao sugerido pela NBR 5422 (igual a 1,10)

4.2.2 Cargas Longitudinais

Normalmente os esforos devidos ao cabo so equilibrados (resultante horizontal nula) em

sua fixao na cadeia de isoladores. Naturalmente que isto no ocorre em torres de fim de

linha, que serve de ancoragem para os cabos.


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FIGURA 4.6 Torre de suspenso equilbrio dos cabos

Esse desequilbrio pode ocorrer quando h uma variao desigual de temperatura em vos

adjacentes. Isto ocorre tambm quando o vento atua sobre os cabos. Esses efeitos so

maiores quando vos adjacentes so muito diferentes entre si.

Essas cargas longitudinais, que solicitam as torres, tm seus valores mximos quando h o

rompimento de cabo de um vo, permanecendo o outro vo atuando. Normalmente essa

uma condio crtica para o clculo da torre, e tambm para suas fundaes.

Quando um cabo condutor se rompe h uma redistribuio de esforos longitudinais devido

ao movimento da cadeia de isoladores. Esse efeito computado na avaliao do valor da

carga que o cabo aplica na torre. Pode-se avaliar a carga na torre devida ao cabo rompido

em funo da tenso no cabo, atravs da seguinte frmula:

0l zTH = (4.4)


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Onde:

- T0 valor mximo (horizontal) de trao mecnica do cabo;- z tomado igual a 0,7 no caso de rompimento de cabo fixado em cadeia de

isoladores que podem ter rotao na direo do cabo (condutores de torres de

suspenso). E z igual a 1,0 quando no h essa possibilidade (pra-raios ou

condutores de torres de ancoragens e de torres de fim de linha).

FIGURA 4.7 Ruptura de cabo e redistribuio de esforos longitudinais

4.3 Aes do Vento

Para as torres de telecomunicao, usualmente, a quantificao das cargas devidas ao vento

atende norma brasileira de vento NBR 6123. Essas torres ainda no possuem norma

tcnica especfica como suas equivalentes de linhas de transmisso. Da ser bastante

comum a utilizao de normas estrangeiras nos dimensionamentos dessas torres.

J a avaliao numrica da ao do vento sobre as linhas de transmisso regulamentada

pela norma brasileira NBR 5422. Ali esto descritos todos os procedimentos a serem

seguidos para se quantificar as cargas atuantes nas LT.


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4.3.1 Ao do Vento segundo a NBR 5422

A NBR 5422 trata a ao do vento baseando-se numa presso dinmica de referncia q 0

dada pela seguinte expresso:

2p0 V2

1q = (N/m2) (4.5)

Onde:

- massa especfica do ar, em kg/m3;- Vp velocidade do vento de projeto, em m/s.

O valor de poder ser calculado, em kg/m3, pela expresso:

ALTt64000.16

ALTt64000.16

t00367,01

293,1

+++

+

= (kg/m3) (4.6)

Onde:

- t temperatura coincidente, em C;- ALT altitude mdia da regio de implantao da linha, em metros.

A temperatura t considerada como o valor da mdia das temperaturas mnimas dirias, e

suposta coincidente com a ocorrncia da velocidade do vento de projeto.

4.3.1.1 Velocidade bsica do vento

A NBR 5422 define como velocidade bsica do vento (Vb) velocidade referida a um

perodo de retorno de 50 anos, a 10 m de altura do solo, com perodo de integrao de 10

minutos, e medida em terreno com grau de rugosidade B (TAB. 4.1).


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Na falta de dados especficos das velocidades do vento, aquela norma sugere que se

obtenham os valores das velocidades bsicas atravs da figura seguinte.

*tempo de integrao da mdia: 10 min

*perodo de retorno: 50 anos

*a 10 m de altura

*terreno de categoria B

FIGURA 4.8 Velocidade bsica do vento (m/s)


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4.3.1.2 Velocidade do vento de projeto

A velocidade de projeto a velocidade bsica do vento, porm corrigida, para levar em

considerao o grau de rugosidade da regio de implantao da linha, o intervalo de tempo

necessrio para que o obstculo responda ao do vento, a altura do obstculo e o perodo

de retorno adotado.

Sua expresso a seguinte:

b

n

1

drp V10HKKV

= (m/s) (4.7)

Onde:

- Kr coeficiente de rugosidade dado na TAB. 4.1;- Kd relao entre os valores mdios de vento a 10 m de altura do solo, para

diferentes perodos de integrao e rugosidade de terrenos (FIG. 4.9);

-

(H/10)

1/n

fator de correo da velocidade de vento para alturas diferentes. Ocoeficiente n depende da rugosidade do terreno e do perodo de integrao t, e

seu valor tambm pode ser obtido a seguir (TAB. 4.2).

Na determinao da velocidade de projeto, a NBR 5422 recomenda considerar o perodo de

integrao do vento da seguinte maneira:

- 2 segundos para a ao do vento sobre as torres e as cadeias de isoladores;- 30 segundos para a ao do vento agindo nos cabos. Esse valor poder ser

adotado, a critrio da proprietria da linha de transmisso.

Aquela mesma norma recomenda a adoo do tempo de retorno de, no mnimo, 50 anos

para o dimensionamento mecnico das torres.


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TABELA 4.1 Coeficientes de rugosidade do terreno

CATEGORIA

DO

TERRENO

CARACTERSTICAS DO TERRENO

COEFICIENTE DE

RUGOSIDADE

Kr

AVastas extenses de gua; reas planas costeiras;

desertos planos1,08

B Terreno aberto com poucos obstculos 1,00

C Terreno com obstculos numerosos e pequenos 0,85

Dreas urbanizadas; terrenos com muitas rvores

altas0,67

Notas:

- Em vales que possibilitem uma canalizao de vento em direo desfavorvelpara o efeito em questo, deve-se adotar para Kr uma categoria imediatamente

anterior que foi definida com as caractersticas apresentadas na tabela.

- Os valores de Kr correspondem a uma velocidade de vento mdia sobre 10minutos (perodo de integrao de 10 minutos), medida a 10 m de altura do solo.

- As mudanas previstas nas caractersticas da regio atravessada devem serlevadas em conta na escolha de Kr.

A figura seguinte apresenta a relao Kd para a correo da velocidade do vento.


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FIGURA 4.9 Relaes entre as velocidades mdias a 10 m de altura (Kd)

O valor do coeficiente n, utilizado na correo da altura, dado pela NBR 5422, e

reproduzido na TAB. 4.2 a seguir.


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TABELA 4.2 Valores de n para correo da velocidade do vento em funo da altura

nCATEGORIA

DO

TERRENOt = 2 s t = 30 s

A 13 12

B 12 11

C 10 9,5

D 8,5 8

O parmetro t da tabela o perodo de integrao.

4.3.2 Clculo da Ao do Vento

A NBR 5422 d os procedimentos para a avaliao da ao de vento nos cabos condutores,nos cabos pra-raios, nas cadeias de isoladores e suas ferragens, e tambm na torre. Para

cada um desses itens ela fornece frmulas para se obter o valor das cargas provocadas pela

ao direta do vento, que suposto agindo na horizontal.

4.3.2.1 Ao de vento nos cabos

Para a ao do vento sobre os cabos, atuante sobre uma torre, considera-se como vo de

vento (Vv) a mdia aritmtica dos vos adjacentes torre considerada.


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FIGURA 4.10 Vo de vento (Vv) para a torre

O valor do esforo do vento, atuante numa torre, devido a um cabo avaliado atravs da

seguinte expresso:

= 2vxc0c sendVCqA (em Newton) (4.8)

Onde:

- q0 presso dinmica de referncia (EQ. 4.5);- Cxc coeficiente de arrasto, igual a 1,0;- fator de efetividade, adimensional, obtido da FIG. 4.11;- d dimetro do cabo considerado, em metro;- Vv comprimento do vo de vento, em metro;- ngulo de incidncia do vento ( 90) em relao direo do vo.

O fator de efetividade corrige o fato de que o vento no atua com a mesma intensidade de

presso em todo o comprimento do vo.


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FIGURA 4.11 Fator de efetividade ()

Quando as torres suportam feixes de cabos, deve-se considerar a ao resultante como a

somatria das cargas atuantes em cada cabo isolado do feixe, sem considerar qualquer

efeito de blindagem.

A velocidade de projeto dever ser corrigida para a altura mdia dos cabos em relao ao

solo ao longo do vo. Normalmente os projetistas consideram o valor como a soma a

distncia de segurana mais um tero do valor da flecha do cabo.

4.3.2.2 Ao de vento nas cadeias de isoladores

O esforo devido ao vento nas cadeias de isoladores, atuantes na direo do vento e no

ponto de suspenso da cadeia, dado pela expresso:

ixi0i SCqA = (em Newton) (4.9)


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Onde:

- q0 presso dinmica de referncia (EQ. 4.5);- Cxi coeficiente de arrasto, igual a 1,2;- Si rea da cadeia de isoladores, projetada ortogonalmente sobre um plano

vertical, em m2.

A velocidade de vento dever ser corrigida para a altura do centro de gravidade da cadeia

de isoladores.

4.3.2.3 Ao de vento nas torres

O procedimento indicado pela NBR 5422 para a avaliao do efeito de vento direto nas

torres sugere que ela seja subdividida em troncos de alturas l menores que 10 m. E a

velocidade do vento dever ser corrigida pela altura de cada centro de gravidade dos

troncos.

Dependendo de como constituda a estrutura da torre, a norma oferece uma frmula para

o clculo da ao do vento.

No caso de torres metlicas constitudas por painis treliados de seo transversal

retangular, o esforo do vento, atuante no centro de gravidade do painel de altura l, pode ser

avaliado pela expresso seguinte, em Newton:

( ) ( )++= 22xT2T21xT1T20t cosCSsenCS2sen2,01qA (4.10)

onde:

- q0 presso dinmica de referncia (EQ. 4.5);- ngulo de incidncia do vento, conforme a FIG. 4.12;


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- ST1, ST2 rea lquida total de uma face projetada ortogonalmente sobre o planovertical situado na direo das faces 1 e 2, respectivamente, em m2;

- CxT1, CxT2 coeficiente de arrasto prprio das faces 1 e 2, para um ventoperpendicular a cada face, tomado conforme FIG. 4.13, que j leva em

considerao as faces de sota-vento e barlavento.

Esses coeficientes de arrasto so para torres reticuladas de seo retangular

formadas por barras prismticas de contorno levemente arredondados.

FIGURA 4.12 Ao do vento sobre um tronco de torre

FIGURA 4.13 Coeficiente de arrasto para painis de suportes treliados (ndice de rea

exposta)


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A NBR 5422 tambm apresenta frmulas para o clculo da ao do vento nas torres

constitudas principalmente por elementos cilndricos ou cnicos (troncos), e tambm por

elementos tronco piramidais.

4.4 Hipteses de Carregamento

As hipteses de carregamento das torres tentam reproduzir as possveis situaes em que

estas podero ser solicitadas.

No caso de torres de telecomunicao, o nmero de hipteses bem menor que nas de LT.

Como o vento o carregamento principal, um estudo de sua ao geralmente se baseia na

anlise de seu efeito, em funo do ngulo de sua incidncia.

Como essas torres geralmente no so totalmente simtricas por causa dos equipamentos,

escadas, plataformas, etc., so estudados ventos incidindo a 0, 30, 45, 60, 90, 120 e 180

graus, em relao a uma determinada face da torre em estudo.

J nas torres de LT, tem-se um nmero muito grande de hipteses de carregamentos. Essas

rvores de carregamento tm algumas hipteses bsicas, que servem como referncia

para a montagem das cargas nas torres.

Alguns autores apresentam sugestes para essas hipteses, e esto indicadas a seguir as

condies de carregamento que elas reproduzem (GONTIJO, 1994):

- Hiptese 1 vento mximo em qualquer direo, e cabos sem romper. Naprtica aplicam-se ventos a 0, 45 e 90 graus com relao ao eixo da LT;

- Hiptese 2 vento com velocidade reduzida, com um cabo pra-raios rompido;- Hiptese 3 vento com velocidade reduzida, e um cabo condutor rompido;- Hiptese 4 cargas devidas construo, ou montagem, com o lanamento dos

cabos condutores e pra-raios.


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A combinao das cargas de cabo rompido e vento atuando, tem como carga principal a

ao do cabo, e como secundria a do vento. Com isto a carga do vento tem como fator de

ponderao um valor menor que a unidade (= 0,6). Isto leva denominao vento com

velocidade reduzida, ou vento reduzido, que normalmente se utiliza nos projetos.

Quando desenvolvido o projeto de uma torre, leva-se em considerao as cargas dos

cabos para vos mximos, como tambm para vos mnimos. Em geral as mximas cargas

de trao nas fundaes ocorrem com a condio de carga vertical reduzida.

Dentro dessas hipteses de carregamento so includas todas as possibilidades de

configurao (montagem) da torre, relativas s combinaes de extenses e de alturas de

ps.

Nestas hipteses so consideradas tambm as possibilidades de montagem de um circuito

eltrico montado, dois circuitos eltricos montados, vento esquerda, vento

direita.

Do ponto de vista das fundaes, normalmente as hipteses crticas so em nmero de duas,

ou quatro, redundando geralmente nos seguintes carregamentos:

- compresso mxima com horizontais correspondentes;- trao mxima com horizontais correspondentes;- fora horizontal transversal mxima;- fora horizontal longitudinal mxima.

Como as torres geralmente so treliadas, portanto, com os ns articulados, considera-se

que elas no aplicam momentos fletores nas fundaes nos pontos de apoio.


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FIGURA 4.14 rvores de Carregamento em Torres de LT Hipteses Bsicas


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4.5 Outras Aes a Considerar

A seguir so listadas outras aes que podem atuar nas torres de LT.

4.5.1 Cargas de Montagem e de Manuteno

Durante a montagem da torre e quando do lanamento dos cabos, as torres ficam

submetidas a cargas dinmicas e assimtricas, estas ltimas no sentido longitudinal do

caminhamento da linha.

No caso de manuteno, a descida de um cabo de uma torre acarreta o incremento da carga

vertical nas torres adjacentes.

A NBR 5422 sugere que as partes das torres, que sejam pontos de solicitao, devam ser

capazes de resistir de 1,5 a 2,0 vezes o equivalente esttico produzido pela carga de

iamento ou de manuteno.

Embora essas aes sejam importantes para o dimensionamento da estrutura, normalmente

elas no conduzem a esforos crticos para as fundaes.

4.5.2 Sismos

Os efeitos de terremotos (aceleraes horizontais e verticais) tambm so verificados no

dimensionamento das torres. No entanto esta combinao de cargas no chega a ser crtica

para as fundaes, uma vez que so aceitos coeficientes de segurana reduzidos em funo

da baixa probabilidade de ocorrncia, e da dura

fundações de torres de linhas de transmissão e de telecomunicação

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