Construções de acessos e plataformas de parques de parques eólicos

RESUMO

Com o objetivo de descrever as técnicas de investigação de subsolo mais indicadas para análise de capacidade e suporte de solos, o artigo destaca as principais técnicas de investigação conhecidas no Brasil e o grau de dificuldade de execução em campo em investigações de subsolos de parques eólicos. Considerando-se o contexto atual em que se inserem os parques eólicos, verifica-se que nas regiões em que os empreendimentos são implantados há um baixo grau de investimentos em obras de infraestrutura viária, dentro e no entorno dos parques eólicos, e por isto o enfoque do artigo está nas técnicas mais usuais e de aplicabilidade mais simples dos diferentes ensaios de investigação, visando contribuir para a melhoria das soluções de projeto adotadas nestes locais.

Palavras-chave: Investigações Geotécnicas, Técnicas de Investigação do Subsolo, Estradas não Pavimentadas, Parques Eólicos.

INTRODUÇÃO

Desde os primórdios da humanidade, o homem explora os recursos naturais como forma de produzir seus bens de consumo e obter energia. No século XX, com o crescente avanço da industrialização, o homem passou a explorar os recursos naturais de maneira mais agressiva e desde então a degradação do meio ambiente tem trazido grandes consequências à sociedade.

A matriz energética mundial está principalmente ligada a recursos não renováveis como carvão, petróleo e gás. Segundo pesquisa da IEA (Agência Internacional de Energia) de 2013, o uso do petróleo como fonte de energia representava um total de 31% da matriz energética mundial; se somado aos demais combustíveis fósseis, representava 81% do total da matriz energética mundial (Figura 1). Esses dados mostram quais os próximos desafios da humanidade para tentar frenar os malefícios do uso abusivo de recursos não renováveis como fonte de energia, a partir do esgotamento dessas fontes de energia, e ainda conter os efeitos e desequilíbrios causados no meio ambiente.

Entretanto, apesar das poucas mudanças previstas, alguns países têm buscado fontes de energia alternativa como forma de reduzir a dependência dos combustíveis fósseis, ou mesmo aumentar a variabilidade das fontes de energia para maior competitividade no mercado mundial, como é o caso do Brasil. Nos últimos 40 anos, o Brasil investiu prioritariamente em hidroelétricas e o sistema elétrico nacional apresentou grande enfraquecimento entre 2001 e 2002, com a conhecida “crise do apagão”; na época, uma das causas apontadas para o problema foi uma matriz energética pouco diversificada e extremamente dependente dos recursos hídricos para a geração de energia.

Figura 1 – Perspectivas de crescimento de demanda por energia primária mundial Fonte: Repsol (2015)

A energia eólica surgiu com a instalação da primeira turbina eólica no Brasil em 1992, no arquipélago de Fernando de Noronha, por meio de uma parceria entre a UFPE (Universidade Federal do Pernambuco) e a CELPE (Companhia Energética de Pernambuco) com financiamento da empresa de pesquisa dinamarquesa Folkecenter.

Desde então, o cenário da energia eólica no Brasil avançou muito, segundo dados da ABEEOLICA (Associação Brasileira de Energia Eólica). Em maio de 2017, o Brasil atingiu a marca de 11 GW de capacidade instalada de energia eólica e igualou sua capacidade de geração à da Usina de Belo Monte. (SETOR…, 2017). Comumente instalados em locais muito afastados dos grandes centros, os parques eólicos enfrentam dificuldades de acesso, pela pouca infraestrutura viária do Brasil, principal modal de transporte utilizado para deslocamentos das cargas dos componentes das turbinas, desde os fabricantes até a futura localização de implantação desses empreendimentos. Com um índice de apenas 12% de estradas pavimentadas em toda a malha viária brasileira (CONFEDERAÇÃO NACIONAL DOS TRANSPORTES, 2016), os transportes desses componentes enfrentam grandes problemas em estradas de terra com conservação quase inexistente, de geometria incompatível com as dimensões desses transportes e, ainda, com capacidade de suporte desconhecida para conjuntos transportadores de até 200 toneladas cada. As benfeitorias em estradas e acessos de terra para instalação de parques eólicos representam um pequeno percentual do custo total do empreendimento, se comparado com o custo de investimento das turbinas (em torno de 30% do total), de acordo com o estudo feito pela Consultoria Garrard Hassan, em 2013. Mediante o baixo grau de investimento nesse item, muitas vezes os empreendedores assumem riscos elevados na falta de uma completa e detalhada investigação do subsolo. Na fase de manutenção, podese afirmar que é quase inexistente a realização de ensaios para conhecer as características dos solos das regiões onde foram implantados os parques eólicos. Ocasionalmente, é necessário trocar integralmente uma turbina por completo, e essas operações exigem que o solo suporte grandes carregamentos, considerando os pesos dos guindastes a serem utilizados e os pesos dos componentes das turbinas.

Este artigo discute o que pode ser feito para garantir melhores condições de acesso aos parques, a partir da investigação mais cuidadosa, porém a baixo custo, do subsolo local.

1 OBJETIVOTendo em vista a localização da implantação dos empreendimentos eólicos e o baixo grau de investimento no orçamento de obras para a manutenção das turbinas, o objetivo desse artigo é descrever as técnicas de investigação de subsolos mais recomendadas para esses casos, as quais possuam maior facilidade de aplicação em locais com poucos recursos, permitam correlacionar as características dos solos com a capacidade de suporte necessárias para transitar essas cargas com segurança e por fim, de maneira genérica, comentar os custos desses métodos. Essas descrições consideram ainda as restrições ambientais dos locais em que os parques são implantados e, para isso, quais os métodos de investigação indiretos podem ser utilizados nessas áreas.

2 OS MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO Existe uma grande variedade de ferramentas de investigação do subsolo. Há a possibilidade de se retirar ou não amostras de solos para objeto dessa análise, o que caracteriza os chamados métodos diretos e indiretos. Os métodos diretos são aqueles que retiram amostras de solos como, por exemplo, as sondagens, ou ainda quando é possível observar o solo através de poços ou trincheiras. Quando não é possível retirar amostras de solo e é necessário recorrer a métodos que usem estimativas indiretas para determinar as propriedades desses, tem-se os denominados métodos indiretos, tais como ensaios geofísicos e sensoriamento remoto. As opções de métodos de investigação, diretos e indiretos, proporciona flexibilidade de resolução para os locais onde possa existir alguma restrição, seja por motivos de arqueologia, ambientais ou fundiários.

3 OS MÉTODOS DIRETOS DE INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO

Os métodos diretos de investigação do subsolo são os ensaios que tem sua realização in situ. Segundo Quaresma et al. (1998) a determinação das propriedades de engenharia, em princípio, tanto poderia ser feita por meio de ensaios de laboratório quanto de ensaios de campo. Na prática, entretanto, há predominância quase que total dos ensaios in situ, ficando a investigação laboratorial restrita a alguns poucos casos especiais, em geral em solos coesivos. Para os casos de manutenção em parques eólicos, decidir por um ensaio em laboratório em contraponto ao tempo necessário para executar um reparo, pode inviabilizar a operação e prejudicar a produção de energia, com um período não contabilizado para a liberação segura e adequada da entrada dos guindastes para executar os trabalhos. Por isso, dentro deste cenário, aborda-se aqui somente os métodos diretos in situ mais rápidos e de simples realização, que podem contribuir para uma tomada de decisão de curto prazo e que impacte o menor tempo possível na paralisação das máquinas e, por conseguinte, a redução da produção de energia.

Seguindo a ideia dos ensaios mais econômicos e mais utilizados, o SPT (Standard Penetration Test), ilustrado na Figura 2 é, de longe, o ensaio mais executado em vários países do mundo, e também no Brasil. Nos últimos anos, porém, a tendência é substituí-lo pelo SPT-T (SPT com medida do torque), mais completo e praticamente de mesmo custo (QUARESMA et al., 1998).

O modo de execução do SPT está descrito na norma NBR 6.484 (ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2001). O índice de resistência à penetração (N), correspondente ao número de golpes associados à penetração dos últimos 30 cm do amostrador padrão, juntamente com a amostra coletada no amostrador ou por outro processo, fornece apenas uma indicação qualitativa das propriedades mecânicas e estratigráfica do solo (SCHNAID; ODEBRECHT, 2012).

Figura 2 – Esquema de execução ensaio SPT Fonte: Schnaid e Odebrecht (2012)

O ensaio SPT-T difere do SPT, pela aplicação de um torque na haste do conjunto para gerar uma rotação do amostrador previamente cravado no terreno. Essa medida é obtida a partir da utilização de um torquímetro e tem como objetivo contribuir com um parâmetro adicional ao de resistência à penetração, obtida no SPT convencional. Segundo Schnaid e Odebrecht (2012), o torque aplicado gera um atrito entre amostrador-solo e pode ser útil na determinação de características físicas dos solos.

O resultado desses ensaios é apresentado em planilha padrão, com a descrição das características do solo, o número de golpes por camada, o nível do lençol freático e a posição da cota do furo. Como nesse ensaio são retiradas amostras para a análise tátil visual, acrescido aos dados de planilha, há a descrição do solo de acordo com essas amostras coletadas. De acordo Schnaid e Odebrecht (2012) fotos digitais e 10 g de solo devem ser reservadas para a determinação do teor de umidade; o restante das amostras devem ser utilizadas para a determinação de finos e, em alguns casos, para a determinação de matéria orgânica e cloretos.

Como é comum a implantação de parques eólicos nas áreas litorâneas do Brasil, é necessária atenção para as regiões de solo mole, e por consequência a necessidade de execução de CPT (Cone Penetration Test).

No ensaio CPT, conforme a Figura 3, medem-se as grandezas de resistência de ponta e do atrito lateral resultantes da cravação da ponteira cônica, ambas utilizadas para a classificação do solo. Os estados de tensões e deformações gerados no solo devido à cravação do cone permitem usar hipóteses simplificadoras e correlações para a determinação dos parâmetros dos materiais. (SCHNAID; ODEBRECHT, 2012).

O CPT é um ensaio mais elaborado e menos popular que o SPT, mas pode ser muito útil na determinação da existência de solos moles nas regiões de implantação das turbinas eólicas e dos acessos. O CPT pode e, geralmente, é utilizado como ensaio complementar ao SPT.

A desvantagem do CPT em relação ao SPT e SPT-T é a necessidade de mão de obra especializada e ainda a dificuldade de transporte dos equipamentos para regiões de difícil acesso, como é o caso dos empreendimentos eólicos.

Figura 3 – Detalhe de uma ponteira cone mecânica Fonte: Schnaid e Odebrecht (2012)

Outro método direto que pode ser utilizado para a investigação de subsolos nas regiões de parques eólicos é a Borro Hammer Drill, mais conhecida como “borro”. Muito utilizada na investigação de subsolos para a implantação das linhas de transmissão, também pode ser aplicada ao longo de todos os acessos ou em pontos determinados, de maneira análoga ao processo adotado na investigação geotécnica para a locação das fundações das linhas de transmissão. Adota-se esse método principalmente quando há dificuldade de acesso aos locais de implantação das obras. A determinação de pontos ao longo dos acessos tem como finalidade principal otimizar os recursos de investigação. Apesar da intenção de otimizar os recursos, os pontos adotados como referência de investigação do subsolo na área são escolhidos para garantir uma amostra de dados consistentes para a determinação de parâmetros de resistência do solo.

O ensaio é muito semelhante à sondagem à percussão, entretanto tem execução muito rápida, pois é feita sem amostragem, através da cravação de uma barra metálica padronizada, medindo-se o número de golpes necessários à penetração da barra no solo. O número de golpes do Borro é correlacionável com o índice de resistência à penetração (SPT) (DELATIM, 2013).

Outro ensaio, menos popular ainda no Brasil, e que poderia ser utilizado como forma de investigar os solos de acessos de parques eólicos é o penetrô metro cônico dinâmico, denominado comumente como Cone Sul Africano (ou DCP). O ensaio consiste na cravação de um amostrador cônico através da queda livre de uma massa padronizada. A Figura 4 mostra o esquema de montagem do aparelho.

A resistência do solo é obtida através do número de golpes para cravar o penetrômetro a uma dada distância predeterminada de 10 cm ou 20 cm, chamados de N10 ou N20. O ensaio exige registro contínuo dos dados e não recolhe amostras. O ensaio apresenta nomenclaturas diferentes de acordo com o peso da massa utilizada, sendo eles, em inglês:

• DPL – Dynamic probing light (m=10kg);
• DPM – Dynamic probing medium (m=30kg);
• DPH – Dynamic probing heavy (m=50kg);
• DPSH – Dynamic probing super heavy (m=63,5kg).

Esse método é pouco utilizado no Brasil, mas apresenta dados que podem ser relacionados com o CBR ou ISC (California Bearing Ratio / Índice Suporte Califórnia), o índice que representa a capacidade de suporte de solos compactados à penetração, o que pode ser traduzido em capacidade resistente. O CBR é um ensaio de laboratório, dessa forma descrevê-lo não se aplica ao objetivo desse artigo; entretanto, é muito importante dizer que um ensaio de campo que possa ser relacionado com ele traz uma vantagem de aplicação em relação aos demais. Como o índice CBR é amplamente utilizado na engenharia rodoviária, a utilização do Cone Sul Africano passa a ser muito vantajosa, se comparada ao CBR, pelo seu tempo de execução, recursos e praticidade (AGUIAR et al., 2011).

Figura 4 – Esquema de montagem do Cone Sul Africano (DCP) Fonte: Lima (2000)

Outro ensaio amplamente utilizado pelos empreendedores de energia eólica para verificação da capacidade resistente dos acessos de parques eólicos é o ensaio de placa estática. De acordo com a normativa do DNIT (Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes) que descreve o processo para determinação de recalques de subleitos e sub-bases em avaliação para projetos, por meio de ciclos de carregamento e descarregamento (ciclos divididos em 0,1 kg/ cm²) a aplicação de carga visa verificar o recalque causado pela aplicação de cargas no solo mediante o uso de uma placa de aço circular com 5.000 cm², por meio de macaco hidráulico com capacidade entre 10tf e 20tf. Para esse ensaio não há a previsão de avaliar outras camadas, o ensaio de placa também é utilizado para a verificação da capacidade de carga de bases e das capas de rolamento. Conforme norma, o ensaio deverá ser executado nas bordas do acesso, lado esquerdo/lado direito e no eixo. Na Figura 5, o esquema de montagem dos equipamentos utilizados no ensaio. Na norma ABNT 6.489 de 1984, prova de carga direta sobre terreno de fundação, o processo de carregamento do solo é análogo ao processo descrito pela norma DNIT e tem finalidade semelhante que é determinar os recalques para a pressão máxima exercida sobre o solo.

4 OS MÉTODOS INDIRETOS DE INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO

Os métodos de investigação ditos indiretos são aqueles que utilizam conceitos físicos para a determinação de propriedades dos solos. Denominados comumente como ensaios geofísicos, são não invasivos e, portanto, não destrutivos (SOUZA; GANDOLFO, 2012).Essas características podem ser vantajosas quando se tem ensaios diretos realizados em áreas muito distantes umas das outras e ainda quando se há impeditivos para a retirada de amostras de solo.Outras vantagens da utilização de métodos geofísicos são a velocidade de execução dos ensaios e a amplitude de varredura de informações, o que representa maior representatividade de amostras para estudo (SOUZA; GANDOLFO, 2012).Ainda segundo Souza e Gandolfo (2012), por serem métodos indiretos, a geofísica não dispensa as informações diretas, fundamentais para interpretações mais precisas, confiáveis e conclusivas dos resultados obtidos, dentro do maior rigor técnico possível.Dentro desse conceito, um dos ensaios frequentemente usado com finalidade de verificar as características do solo em relação ao parâmetro de resistividade para fins de dimensionamento da malha de aterramento requerido nos parques eólicos é o ensaio de resistividade. Os dados obtidos mediante a realização deste poderiam, além de fornecer informações para o projeto de aterramento, fornecer informações adicionais aos SPTs, rotineiramente empregados na investigação de subsolos nessas regiões. De acordo com a norma NBR 7.117/2012 – Medição da resistividade e determinação da estratificação do solo, cada tipo de solo apresenta uma resistividade diferente, conforme pode-se observar na Tabela 1. O ensaio pode ajudar a caracterizar o solo e as várias camadas existentes no terreno, tendo em vista a variação do parâmetro de resistividade de acordo com o material encontrado.

Figura 5 – Representação esquemática dos equipamentos do ensaio DNIT. Fonte: Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes (2004)

De acordo com o tipo de metodologia aplicada, na determinação da resistividade do solo descrita na NBR 7.117/2012, os dados coletados desse ensaio podem ser utilizados para a determinação da capacidade de suporte do solo. As técnicas empregadas para a investigação indireta pelo método da eletrorrestividade são (BRAGA, 2005):

• SEV (Sondagem Elétrica Vertical) caracteriza-se pela investigação vertical pontual das variações do parâmetro físico com a profundidade, em hidrogeologia é utilizada para definir zonas horizontais em estratos porosos;
• O CE (Caminhamento Elétrico), que corresponde à investigação lateral das variações do parâmetro físico a uma ou várias profundidades determinadas;
• A PERF (Perfilagem Elétrica) é utilizada para determinar variações verticais de resistividade em poços.

Os arranjos mais utilizados são: Arranjo Schlumberger, Wenner e Dipolo/Dipolo (BRAGA, 2005).

CONCLUSÕES

Tendo em vista os ensaios descritos, desde os mais usuais na investigação do subsolo, como SPTs e CPTs, até os menos usuais como Borro e Cone Sul Africano, entre outros, pode-se perceber que é possível investigar o subsolo com técnicas que possam subsidiar minimamente a tomada de decisões mediante a verificação de alguns parâmetros do solo para a garantia de segurança das operações de equipamentos pesados dentro de um parque eólico, desde sua implantação até a manutenção.Durante a implantação dos parques eólicos, a investigação do subsolo é mais praticada, levando em consideração a fase de construção das fundações dos aerogeradores que, obrigatoriamente, exige um rigor maior da etapa de investigação tendo em vista a criticidade da construção da fundação do aerogerador, para a futura instalação da máquina, cujo custo muitas vezes supera 15 milhões de reais.Já durante a fase de manutenção, os custos tendem a ser reduzidos ao máximo e o tempo para a análise de dados geotécnicos costuma ser muito curto, pois a operação de manutenção das máquinas é executada urgentemente, evitando assim a paralisação por grandes períodos e, consequentemente, a redução dos lucros advindos da geração.

Por isso, a análise mais simplista de informações da investigação do subsolo e a obtenção de dados mais 32 diretos são extremamente vantajosos para a fase de manutenção.

Apesar de não ter sido o enfoque desse artigo, o custo também influencia muito nas decisões de qual técnica escolher em detrimento de outra. Sem dúvidas, mais uma vez o SPT é o mais econômico (SCHNAID; ODEBRECHT, 2012). Ainda segundo Schnaid e Odebrecht, os custos das investigações estão em torno de 2% a 5% do custo total da obra.

A tabela 2 simplifica as informações de cada ensaio descrito anteriormente, sempre pensando na sua facilidade de aplicação e garantia mínima de dados confiáveis para a execução segura dos trabalhos que exigem grande capacidade resistente do solo.

A conclusão que se pode tirar da exposição dos ensaios anteriores é que não há um método melhor que o outro e sim, aquele que melhor se adequa à situação de campo e às restrições do entorno. Infelizmente no Brasil, a falta de comprometimento em investir na prevenção de acidentes e uma preocupação cada vez maior com os custos, sem considerar os aspectos técnicos de determinadas ações, faz com que a análise do ponto de vista de maior economia predomine, o que nem sempre representa maior adequabilidade técnica ao cenário em estudo. Dessa maneira, considerando o contexto geral apresentado e as experiências da engenharia brasileira, recomenda-se sempre que possível o teste de placas, que trará subsídios para avaliar quais os deslocamentos máximos previstos, de acordo com a carga máxima aplicada no solo, valor esse que pode ser definido tão logo seja escolhido qual equipamento fará a montagem ou manutenção da turbina eólica.

REFERÊNCIAS

AGUIAR, M. F. P. et al. Contribuição metodológica para controle de qualidade de camadas de pavimentos flexíveis com base em correlações CBR X DCP. Conexões Ciência e Tecnologia, Fortaleza, v. 5, n. 3, p. 22-27, nov. 2011.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6.484: Solo – Sondagens de simples reconhecimento com SPT – Método de ensaio. Rio de Janeiro, 2001. 17 p.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7.117: Medição da resistividade e determinação da estratificação do solo. 2 ed. Rio de Janeiro, 2012. 64 p.

BRAGA, A. C. O. Métodos geoelétricos aplicados: módulo: hidrogeologia. Rio Claro: UNESP/IGCE/DGA, 2005. 91 p. CONFEDERAÇÃO NACIONAL DOS TRANSPORTES.

Rodovias pavimentadas crescem 23,2% e frota aumenta 184,2%.  Notícias da CNT, 30 maio 2016. Disponível em: <http://www.cnt.org.br/Imprensa/noticia/rodovias-pavimentadas-crescem-23-e-frota-aumenta-184-anuario-cnt-do-transporte>. Acesso em: 11 jun. 2017.

DELATIM, I. J. et al. (Coord.). Manual de Sondagens. 5. ed. São Paulo: ABGE, 2013.

DEPARTAMENTO DE ESTRADA DE RODAGEM DO ESTADO DE SÃO PAULO – DER/SP. Tabelas de Preços Unitários. Disponível em: <ftp://ftp.sp.gov.br/ftpder/tpu//TPU_06_2017.ZIP>. Acesso em: 29 out. 2017.

DEPARTAMENTO NACIONAL DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTES. Norma DNIT 055/2004: Pavimento rígido – prova de carga estática para determinação do coeficiente de recalque de subleito e sub-base em projeto e avaliação. Rio de Janeiro, 2004. 6 p.

LIMA, L. C. O ensaio DCP aplicado no controle de qualidade de compactação de obras viárias executadas com solos lateríticos de textura fina. 164 f. Dissertação (Mestrado) – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, 2000. QUARESMA, A. R. et al (Ed.).

Investigações geotécnicas. In: HACHICH, W.; FALCONI, F. F.; SAES, J. L. Fundações: teoria e prática. 2. ed. São Paulo: Pini, 1998. Cap. 3. p. 119-162. REPSOL (Portugal). Secretaria Técnica Repsol. Perspectivas de crescimento de demanda por energia primária mundial. [2015]. Disponível em: <https://www.repsol.com/pt_pt/corporacion/conocer-repsol/contexto-energetico/matriz-energetica-mundial/default.aspx>. Acesso em: 20 maio 2017.

SCHNAID, F.; ODEBRECHT, E. Ensaios de campo e suas aplicações à engenharia de fundações. 2. ed. São Paulo: Oficina de Textos, 2012. 224 p.

SETOR eólico adicionou 2 GW à matriz energética brasileira em 2016, diz ABEEólica. 2017. Época Negócios. 4 maio 2017. Disponível em: <http://epocanegocios.globo.com/Economia/noticia/2017/05/epoca-negocios-setor-eolico-adicionou2-gw-a-matriz-energetica-brasileira-em-2016-diz-abeeolica.html>. Acesso em: 20 maio 2017.

SOUZA, L. A. P.; GANDOLFO, O. C. B. Métodos geofísicos em geotecnia e geologia ambiental. Revista Brasileira de Geologia de Engenharia e Ambiental, São Paulo, v. 2, n. 2, p. 9-27, 2012. Anual. Disponível em: <http://www.abge.org. br/uploads/arquivos/pdf/volume22017041921310480345.pdf>. Acesso em: 25 jun. 2017.

TECHNÉ. Projetos Sondagens. São Paulo: Editora Pini, Edição 83, fev. 2004. Disponível em: <http://techne17.pini.com. br/engenharia-civil/83/artigo285301-1.aspx>. Acesso em: 21 maio 2017.

Clique aqui, para acessar o arquivo original publicado na revista Fundações e obras Geotécnicas.