Estudos Geotécnicos e Prova de Carga ao Tombamento de um
Poste de Distribuição de Energia - Compactação do Reaterro
Alessander C. M. Kormann, UFPR - Universidade Federal do Paraná, Curitiba, Brasil
Roberta B. Boszczowski, LACTEC - Instituto Tecnologia Para o Desenvolvimento, Curitiba, Brasil
Paulo R. Chamecki, UFPR e LACTEC, Curitiba, Brasil
Tarcisio Loddi, COPEL - Companhia Paranaense de Energia, Curitiba, Brasil.
RESUMO: As fundações das estruturas de suporte de linhas aéreas podem apresentar problemas,
relacionados com deficiências de projeto e execução, com conseqüente comportamento inadequado
durante a operação. Além de transferir esforços não previstos aos elementos que compõem a linha
aérea, o desempenho insatisfatório das fundações pode levar a inclinações, deformações e até ao
colapso das estruturas. O trabalho descreve algumas etapas de uma pesquisa realizada com o
objetivo de contribuir para a melhoria do projeto e execução de fundações de postes de distribuição
de energia. Seus resultados permitiram a elaboração de procedimentos visando evitar alguns
problemas geotécnicos rotineiros. A pesquisa envolveu a realização de investigações geotécnicas de
campo e de laboratório, e a execução de um ensaio de tombamento, em escala real, em um poste de
distribuição. Uma das principais conclusões práticas do estudo refere-se à necessidade de se
intensificar a fiscalização da execução de reaterros, especialmente de sua compactação, no intuito
de se aumentar sua rigidez ao tombamento.
PALAVRAS-CHAVE: Postes, Fundações, Reaterro, Compactação, Formação Guabirotuba.
1 INTRODUÇÃO
Um fato peculiar às fundações de torres e postes
de distribuição é a alternância de esforços de
compressão e arrancamento, o que requer um
dimensionamento para ambas as condições.
Esse tipo de estrutura está sujeita
constantemente a carregamentos que resultam
nas cargas máximas. Em outras obras,
solicitações
críticas
ocorrem
apenas
esporadicamente e durante curtos períodos de
tempo. O problema do comportamento das
fundações submetidas a significativos esforços
de arrancamento e tombamento é de grande
interesse. Entretanto, tal assunto ainda não foi
suficientemente estudado no campo da
geotecnia e da engenharia de fundações
(Orlando, 1985). Pode-se dizer que a aplicação
de esforços de tombamento provoca no poste
engastado uma translação e rotação, função,
dentre outros parâmetros, do reaterro e do solo
natural do terreno (Rojas-Gonzales et al., 1991).
São tão comuns os postes inclinados nos
sistemas aéreos de distribuição de energia
elétrica das cidades brasileiras, que pode
aparentar ser uma questão sem importância e
sem conseqüências. No entanto, a inclinação
pode transferir esforços não previstos aos cabos
elétricos, bem como provocar deformações e até
o colapso estrutural do poste. A inclinação pode
ser o resultado da má instalação do poste, ou
pode indicar que sua fundação está
apresentando
comportamento
inadequado
provocado por falha de projeto e/ou execução.
No caso freqüente de poste simples (não
estaiado), o elemento estrutural de sua fundação
é a parte inferior do próprio poste. O
procedimento rotineiro de instalação é a
perfuração mecânica ou a escavação manual do
terreno, até uma profundidade próxima de 60
cm mais 10% do comprimento total do poste.
Logo após a colocação do poste na escavação, é
feito o reaterro manual com o material
escavado.
Com o objetivo de estudar o desempenho de
postes de distribuição sujeitos a esforços de
tombamento, uma pesquisa foi desenvolvida no
Sítio Experimental de Geotecnia da UFPR,
localizado
no
Centro
Politécnico
da
Universidade Federal do Paraná, que apresenta
solos característicos da região de Curitiba. A
apresentação e informações preliminares dessa
iniciativa podem ser encontradas nos trabalhos
de Chamecki et al. (1998), Kormann (2002) e
Loddi et al. (2003). Neste artigo está
resumidamente descrita a pesquisa, e detalhados
e analisados os aspectos geotécnicos
relacionados ao reaterro da cava, especialmente
sua compactação.
2
O SÍTIO EXPERIMENTAL DE
GEOTECNIA DA UFPR E OS SOLOS DA
FORMÇÃO GUABIROTUBA
A região metropolitana de Curitiba situa-se
sobre uma bacia sedimentar, que é preenchida
em sua maior parte pela Formação Guabirotuba.
Os sedimentos dessa Formação repousam sobre
rochas do Complexo Cristalino, constituindo-se
principalmente em argilas siltosas ou siltes
argilosos. Materiais granulares também se
fazem presentes, fato que confere uma razoável
diversidade aos solos. Esses solos tipicamente
exibem altas pressões de pré-adensamento, que
podem alcançar até 3000 kPa. Devido às suas
características de consistência e plasticidade, as
argilas da Formação Guabirotuba receberam a
denominação popular de “sabão de caboclo”.
Os sedimentos argilosos da Formação
Guabirotuba apresentam superfícies polidas
(slickensides), que seguem um padrão de difícil
identificação. Quando se manuseia o solo, essas
feições constituem planos de fraqueza, que
dividem
o
material
em
fragmentos
centimétricos a decimétricos. Além das
superfícies polidas, os solos da Bacia de
Curitiba apresentam fraturamentos diversos,
resultantes de processos tectônicos. Enquanto
que o sobre-adensamento
e
ligações
diagenéticas elevaram a consistência da matriz
argilosa, as descontinuidades reduziram a
resistência dos maciços como um todo. Apesar
da baixa compressibilidade, as argilas rijas e
duras de Curitiba possuem características que
tornam freqüente a ocorrência de acidentes em
obras. Comportamentos inesperados envolvem
fundações, escavações e taludes (e.g. Massad et
al., 1981). Devido aos fraturamentos, a
resistência ao cisalhamento dos solos da
Formação Guabirotuba é influenciada por
efeitos de escala (Kormann, 2002).
O Sítio Experimental de Geotecnia da
UFPR está situado em região ocupada pela
Formação Guabirotuba. Diferentes ferramentas
de investigação geotécnica se concentraram na
Área 2 do Sítio Experimental de Geotecnia,
local da pesquisa aqui relatada, buscando-se
caracterizar adequadamente o terreno.
No que se refere a sondagens, os estudos
envolveram, entre outros, ensaios SPT, CPT e
DPL. Em linhas gerais, a Área 2 exibe um
horizonte orgânico na superfície do terreno, que
em alguns pontos, chega à profundidade
aproximada de 1,5 m. Imediatamente abaixo
pode-se identificar a presença de materiais
argilosos e siltosos, com indícios de ocorrência
de processos de laterização entre 2 e 5 m.
Abaixo dos materiais alterados surgem argilas
rijas a duras, com colorações cinza e marrom. O
NSPT desses materiais é elevado, facilmente
excedendo a 20 golpes. Além dos solos
argilosos o perfil da Área exibe lentes arenosas,
característica típica da Formação Guabirotuba.
Os dados de resistência de ponta dos ensaios de
cone mostram um crescimento contínuo da
resistência com a profundidade. Em geral, os
sedimentos mais superficiais, que exibem sinais
de plintificação ou laterização, possuem
resistências de ponta inferiores a 6,0 MPa. À
medida que a profundidade aumenta, ocorre um
incremento nas resistências, tendo-se alcançado
8 a 12 MPa nas prospecções mais profundas. O
ensaio DPL – Penetrômetro Dinâmico Leve,
consiste basicamente na contagem do número
de golpes necessários para cravação de uma
ponteira metálica no solo através de percussão,
usando-se um peso de massa e altura de queda
padronizados. Cria-se um registro de
golpes / 10 cm (N10) ao longo da profundidade.
Tendo-se em vista a simplicidade operacional
do DPL, foi incluído na presente pesquisa com
vistas a uma possível utilização em
investigações geotécnicas de linhas de
distribuição. Esta busca de alternativas para
estudos geotécnicos para estruturas de
distribuição, era uma das finalidades da
pesquisa. A Figura 1 resume os resultados da
sondagem. O furo em questão está situado a 2,7
m do poste submetido à prova de carga.
0
1
Prof. (m)
2
3
4
5
durante o ensaio, foram instalados dois pares de
relógios comparadores na direção de aplicação
das cargas, em alturas de 40 e 90 cm em relação
ao nível do terreno. As rotações do poste foram
medidas também com o auxílio de um
inclinômetro, posicionado verticalmente em
uma das faces do poste, situando-se seu plano
médio a 65 cm do nível do terreno. Para a
medição de deslocamentos verticais, dois
relógios comparadores foram colocados nas
faces do poste, apoiados em vigas transversais
horizontais, a 30 cm do terreno. O arranjo do
ensaio pode ser observado na Figura 2.
6
7
0
10
20
30
40
50
60
70
N10
Figura 1 - Dados do ensaio DPL executado próximo ao
poste de distribuição.
3
PROVA DE CARGA EM POSTE DE
DISTRIBUIÇÃO
Para estudar o desempenho de sua fundação foi
selecionado, por sua ampla utilização em linhas
de distribuição urbanas, um poste de concreto
armado do tipo B-300, para realização de uma
prova de carga. O poste possui seção transversal
em forma de duplo T e comprimento de 10,5 m.
Para a instalação do poste no Sítio
Experimental, foi aberta uma escavação com
seção transversal quadrada (80 x 80 cm) e 165
cm de profundidade. Após o posicionamento do
poste na cava, procedeu-se a um reaterro que,
para efeito da pesquisa, envolveu um controle
da energia de compactação. O solo natural foi
compactado em camadas de 20 cm de material
solto, mediante a aplicação de 50 golpes de um
peso de 106 N (10,9 kgf). A altura de queda do
soquete foi fixada em aproximadamente 40 cm.
Para aplicar os esforços, posicionou-se um cabo
de aço a 55 cm do topo do poste, solidarizado
na outra extremidade a um bloco de concreto
armado de reação. A aplicação de cargas de
tração no cabo de aço se deu através de uma
talha manual instalada junto ao bloco de reação.
Os carregamentos foram controlados através de
um dinamômetro aferido. Para monitorar a
evolução da translação e rotação do poste
Figura 2 – Arranjo da prova de carga.
A prova de carga foi executada
aplicando-se tração no cabo em seis estágios de
carregamento (0,29, 0,59, 0,88, 1,18, 1,37 e
1,57 kN), mantidos até a estabilização das
deformações. O descarregamento foi realizado
em três etapas (0,98, 0,49 e 0,00 kN), com uma
duração de 15 minutos cada.
No último estágio do carregamento, que
correspondeu a uma força horizontal de 1,45 N,
a translação do poste chegou a deslocamentos
máximos de 58 e 77 mm e deslocamentos
permanentes de 55 e 71 mm, medidos
respectivamente a 40 e 90 cm acima do nível do
terreno. A rotação máxima medida com
inclinômetro foi de 2,3º e a rotação residual
após o descarregamento de 1,95º, na altura
média de 65 cm acima do nível do terreno. Os
detalhes sobre a prova de carga e seus
resultados estão publicados em Loddi et al.
(2003).
4
COMPACTAÇÃO DO REATERRO
4.1
Procedimentos Usuais
Alguns fatores geotécnicos, nem sempre
considerados adequadamente, interferem no
processo do projeto da fundação e também no
método de construção. Os principais são a
geologia básica do local, os tipos de solo e/ou
da rocha e suas propriedades físicas, condições
do nível d’água e o estado in situ das tensões no
solo. Quando não é dada a devida atenção a
esses fatores, o desempenho da fundação pode
ser afetada. As práticas das construções
empregadas durante a instalação da fundação
podem influenciar seu desempenho de uma
maneira muito significativa. Em geral, práticas
mal conduzidas resultam em capacidades de
suporte mais baixas e deslocamentos mais
elevados da fundação. Entretanto, estas práticas
podem ser controladas e submetidas a inspeções
de qualidade.
Quando um reaterro é utilizado, algumas
regras simples devem ser seguidas para
melhorar o desempenho da fundação. Todo o
solo de reaterro deve ser bem compactado, para
que possa desenvolver um sistema de fundação
adequado. A capacidade à tração aumenta em
cerca de 100% ou mais caso o reaterro seja
imediatamente executado e bem compactado,
ao invés de apenas se despejar o solo na cava
(IEEE, 1991).
A instalação de postes convencionais de
distribuição de energia elétrica é realizada,
frequentemente, segundo normas internas da
própria empresa concessionária de energia. Nas
normas internas analisadas para a pesquisa, o
procedimento
de
instalação
refere-se,
principalmente, ao tipo de poste e profundidade
de embutimento do mesmo no terreno, sendo
que a fundação é definida pela geometria da
rede (por exemplo: poste de meio ou término de
linha). Rotineiramente, não são efetuadas
sondagens para a caracterização das condições
geotécnicas ao longo das linhas de distribuição.
As normas internas consultadas prescrevem a
implantação habitual dos postes em cavas com
reaterro de solo compactado manualmente. No
caso de solos de consistência média a dura, ou
de compacidade média a compacta, pode-se
utilizar material proveniente da própria
escavação, devendo o reaterro ser compactado
em camadas de aproximadamente 20 cm de
espessura. Para a implantação em argila muito
mole, areia fofa, turfa e regiões de banhado ou
mangue, são recomendadas maiores precauções,
citando-se o uso de tubulões e concretagem ou
substituição do solo por outro de maior
resistência. A cava para o embutimento é aberta
com profundidade igual a 60 cm mais 10 % da
altura do poste e sua largura normalmente não é
especificada ou controlada. Esta regra prática de
embutimento do poste – profundidade de 60 cm
mais 10% de sua altura – é amplamente
difundida internacionalmente (e.g. RojasGonzales et al., 1991).
Para a caracterização dos procedimentos
efetivamente seguidos na execução das
fundações de postes de distribuição, a equipe
responsável pelo presente projeto efetuou
algumas visitas a obras em andamento. O poste
é instalado com o auxílio de um guincho,
acertando-se sua orientação e verticalidade de
maneira visual. Apesar das prescrições
referentes à compactação do reaterro, muitas
vezes esse aspecto não é observado. Ou seja, o
reaterro da cava acaba se resumindo a um
simples lançamento de material.
4.2
Ensaios e análises realizados
Para o estudo foram realizados ensaios em
laboratório para caracterização e compactação
dos solos em contato com a parte enterrada
(fundação) do poste submetido a prova de carga
descrita anteriormente. Foram empregadas três
amostras, coletadas durante a abertura da cava
de fundação do poste, nas profundidades de 70,
100 e 160 cm. Adicionalmente, durante a
execução do reaterro, material foi recolhido
para a determinação da umidade do solo, por
ocasião de sua compactação em campo.
Os
ensaios
de
caracterização
envolveram determinações de umidade natural
(W), limite de liquidez (LL), limite de
plasticidade (LP), limite de contração (LC),
peso específico real dos grãos (γg) e análises
granulométricas. Os procedimentos seguidos
nesses ensaios estão em acordo com as
prescrições da ABNT. A Tabela 1 resume os
resultados dos ensaios de caracterização. O solo
situado ao longo do trecho escavado classificase como argila siltosa. Mais superficialmente
(amostra 1), o material possui um teor de areia
de 22 %, o qual se reduz nas amostras coletadas
Massa Esp. Apar. Seca ( s) (kN/m³)
15,0
3
1,6
VermeLho
49,0
71
54
18
17
64
34
2
26,83
Para a execução dos ensaios de
compactação foram selecionadas duas energias
de compactação: 670 kNm/m3 e 114 kNm/m3.
A primeira refere-se ao ensaio de Proctor
Normal, e a segunda corresponde à energia
efetivamente utilizada em campo, por ocasião
14,0
13,5
13,0
12,5
12,0
11,5
Amostra 1
11,0
Amostra 2
10,5
Amostra 3
10,0
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
44
Umidade (%)
Figura 3 - Curvas de compactação para a energia de
670KN.m/m3 (Proctor Normal)
Os ensaios de compactação envolveram
as amostras 1, 2, 3 e, adicionalmente, uma
mistura dos três solos (denominada “amostra
reaterro”). A utilização dessa amostra
“combinada” objetivou representar uma
condição média, uma vez que no campo
inevitavelmente ocorre uma mistura entre os
materiais provenientes de diferentes pontos da
escavação. Os resultados dos ensaios estão
resumidos na Tabela 2.
15,0
Amostra 1
14,5
Amostra 2
14,0
Amostra 3
Solo Reaterro
13,5
Massa Esp. Apar. Seca (
Tabela 2 – Dados dos ensaios de compactação
Amostra
1
2
3
Solo
Reaterro
Energia compactação
670
(kN.m/m3)
Peso esp. seco máx. 14,5 13,3 13,3
(kN/m³)
Umidade ótima
26,5 32,4 36,0
(%)
Energia compactação
114
(kN.m/m3)
Peso esp. seco máx. 12,7 11,2 10,9
11,7
(kN/m³)
Umidade ótima
28,4 31,1 35,0
35,5
(%)
14,5
(kN/m³)
Tabela 1 – Propriedades dos solos
Amostra
1
2
Prof. (m)
0,7
1,0
Cor
Marrom
Marrom
Escuro
Averm.
W (%)
34,8
54,0
LL (%)
62
65
LP (%)
48
50
LC (%)
19
27
IP (%)
14
15
% argila
48
64
% silte
30
25
% areia
22
11
γg (kN/m3)
27,16
27,06
do reaterro, descrita anteriormente. As curvas
de compactação encontram-se nas Figura 33 e 4.
s)
a 1,0 e 1,6 m de profundidade. O índice de
plasticidade (IP) dos solos analisados varia
entre 14 e 17 %. No gráfico de plasticidade, os
mesmos situam-se abaixo da linha “A”. A
atividade coloidal das três amostras é reduzida.
O teor de umidade natural mostra-se elevado e
variável na extensão examinada do perfil.
13,0
12,5
12,0
11,5
11,0
10,5
10,0
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
44
Umidade (%)
Figura 4 - Curvas de compactação para a energia de
114 KN.m/m3 (utilizada no campo)
5
DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
Nos últimos estágios do carregamento, a rigidez
da interação fundação – elemento estrutural
mantém-se aproximadamente constante. Esse
comportamento possivelmente se deve à
mobilização, nos primeiros incrementos de
carga, sobretudo da resistência do material do
reaterro. A partir de um certo nível de
carregamento, ocorreria a plastificação plena do
solo compactado, passando-se então a solicitar
mais significativamente o terreno natural
adjacente à fundação do poste.
Os ensaios de compactação em laboratório
mostram que a reduzida energia utilizada na
execução do reaterro da cava (114 kNm/m3)
conduz
a
densidades
inferiores
às
correspondentes à condição ótima do Proctor
normal (670 kNm/m3). Como conseqüência, o
grau de compactação que o material pode
alcançar no campo é reduzido. No presente
estudo, considerando-se a umidade média do
solo por ocasião do reaterro (39 %) e
analisando-se as curvas de compactação do
material, pode-se verificar que o grau de
compactação médio dificilmente excederia 75
%.
Além da energia de compactação, outro
aspecto interveniente na densidade do solo do
reaterro refere-se à umidade. Uma vez que, por
razões de ordem prática, o solo utilizado nas
obras acaba sendo compactado sem controle de
umidade – ou seja, no estado em que o material
se encontra no momento da execução –
reduções adicionais na densidade também
podem ocorrer.
6
CONCLUSÕES
As fundações de postes diretamente engastados
muitas vezes envolvem a abertura de uma cava
no terreno, com uma profundidade de 60 cm
mais 10 % da altura do elemento estrutural.
Embora essa regra seja largamente difundida,
inclusive internacionalmente, a mesma não
incorpora propriedades do solo, sendo
questionável a sua aplicação irrestrita a todas as
geologias. É importante um estudo geotécnico
prévio,
que
permita
dimensionar
adequadamente o embutimento da estrutura.
Além do controle de qualidade na fabricação
dos elementos estruturais como peça de
concreto armado, melhorias poderão advir
intensificando-se a fiscalização das empreiteiras
que instalam postes em linhas de distribuição.
No caso de estruturas cuja fundação envolve a
execução de reaterros, uma compactação
eficiente do solo tenderá a melhorar a rigidez ao
tombamento.
Na instalação do poste de distribuição do
presente estudo – em que se procurou simular
condições de execução típicas – a energia de
compactação mostrou-se em torno de 17 % do
Proctor normal. Conseqüentemente, o grau de
compactação alcançado no campo tendeu a ser
reduzido. Na prática, a dificuldade de se
conciliar o aproveitamento do solo retirado da
cava com as condições ideais de umidade
também contribui para reduzir a densidade do
reaterro.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à COPEL-Companhia
Paranaenese de Energia e ao LACTEC-Instituto
de Tecnologia Para o Desenvolvimento, pelo
apoio e autorização para a publicação.
REFERÊNCIAS
Chamecki,
P.R.;
Kormann,
A.C.M.;
Nascimento, N.A.; Dyminski, A.S. (1998).
Sítio Experimental de Geotecnia da UFPR –
Objetivos e Dados Preliminares, XI
COBRAMSEG, ABMS, Brasilia.
IEEE (1991). Guide Installation of Foundation
For Transmission Line Structures, IEEE
Standard 997.
Kormann, A.C.M. (2002). Comportamento
geomecânico da Formação Guabirotuba:
estudos de campo e laboratório, Tese de
Doutorado, EPUSP, São Paulo.
Loddi, T., Kormann, A.C.M., Boszczowski,
R.B. e Chamecki, P.R. (2003). Estruturas de
Suporte de Linhas Aéreas: Estudos
Geotécnicos e Prova de Carga em Poste de
Distribuição de Energia, CITENEL,
ANEEL, Salvador.
Massad, F.; Rocha, J.L.R.; Yassuda, A.J.
(1981). Algumas características geotécnicas
de solos da Formação Guabirotuba,
Simpósio Brasileiro de Solos Tropicais em
Engenharia, Rio de Janeiro.
Orlando, C. (1985). Fundações submetidas a
esforços verticais axiais de tração - Análise
de provas de carga de tubulões em areias
porosas, Dissertação de Mestrado, EPUSP,
São Paulo.
Rojas-Gonzales, L. F., Digioia, A. M. Jr.,
Longo, V. J. (1991). A new design approach
for direct embedment foundations, IEEE
Transactions on Power Delivery, v. 6.