• Karen Melo

Fundações em Usinas Fotovoltaicas: Engenharia Geotécnica e Estrutural

A implementação de uma usina fotovoltaica envolve a realização de uma série de instalações elétricas e mecânicas. Com relação às montagens mecânicas, as usinas fotovoltaicas no solo requerem dois componentes básicos de projeto: a engenharia geotécnica e a engenharia estrutural. A primeira foca na avaliação da mecânica do solo para que o projeto da fundação possa levar em consideração tais características, enquanto a segunda consiste na modelagem da fundação para que ela possa suportar as cargas do projeto.


A engenharia geotécnica aplicada a sistemas fotovoltaicos é muito recente quando comparada a aplicações mais convencionais, como a construção de edifícios ou pontes. Por isso, a investigação geotécnica é um dos critérios de seleção do local da instalação mais negligenciados da indústria da energia solar.


1. Projeto de fundação específico para aplicação solar


As usinas fotovoltaicas têm um elevado número de estacas relativamente pequenas, com distâncias e profundidades uniformes ao longo do terreno. Logo, existe a necessidade de otimizar as estacas em termos de utilização econômica de material e profundidade de incorporação.


Além disso, a fundação precisa suportar cargas dinâmicas consideráveis. No Brasil, algumas localidades possuem rajadas de vento de até 180 km/h. Dependendo do desenho das mesas e das cargas estáticas e dinâmicas, isso pode resultar em até 5 toneladas de força por fundação. Sendo assim, qualquer fundação pode falhar com o tempo, e as falhas nesses sistemas são difíceis de mitigar.


Para o projeto da fundação, deve-se considerar, além do peso dos módulos e das estruturas, os esforços causados pelo vento em velocidade observada no local, com a devida consideração a eventos extremos como ciclones, tornados, entre outros. Além disso, deve se considerar o acúmulo de materiais nos painéis, como areia ou granizo. A Figura 1 apresenta a velocidade do vento em cada região no Brasil.

Figura 1: Mapeamento da velocidade máxima de rajadas de vento [4].


O projeto de fundações pode fazer a diferença para que o projeto da usina seja rentável ou não. Portanto, é necessário que a fundação, além de confiável, tenha um bom custo-benefício. Para isso, o engenheiro de fundações precisa se dotar de dados geotécnicos de qualidade. Caso contrário, ele precisará fazer suposições conservadoras, e isso pode implicar em custos mais altos com a fundação.


Sendo assim, a análise geotécnica deve ser o primeiro passo para um bom projeto de uma usina fotovoltaica.


2. Avaliação geotécnica


Para otimizar o dimensionamento da fundação, é necessário caracterizar a força do solo. Portanto, necessita-se realizar uma avaliação geotécnica para obter dados sobre as características do local de instalação da usina. Isso inclui a composição do solo, a capacidade de carga, o nível do lençol freático, escoamento de águas superficiais e resistência a penetração.


Os componentes básicos de uma avaliação geotécnica para usinas fotovoltaicas são reconhecimento do local, investigação do solo e testes de cargas.


2.1 Reconhecimento do local


O primeiro passo da análise geotécnica é o reconhecimento do local. A partir de informações básicas como endereço, coordenadas geográficas e limites da propriedade, o engenheiro pode pesquisar mapas de solo, mapas topográficos e imagens aéreas.


Os registros publicados podem descrever o tipo de solo, o cenário geológico típico da área e até mesmo a altura do lençol freático. A partir dessas informações, os engenheiros geotécnicos podem ser capazes de identificar anomalias subterrâneas do solo, zonas de contato entre tipos de solos, suscetibilidade a erosões e inundações, e necessidade de movimentação de terra, por exemplo. Portanto, podem identificar possíveis problemas do solo e priorizar investigações no local.


2.2 Investigação do solo


Um dos principais objetivos da avaliação geotécnica é avaliar a capacidade do solo de resistir e suportar cargas da estrutura de montagem, para auxiliar no dimensionamento adequado da fundação.


A força do solo depende de sua composição e de sua densidade. A composição do solo é uma função da textura e dos grãos constituintes, como argilas, areia e cascalho. Enquanto a densidade do solo é função da idade, dos materiais e da profundidade. Os solos compactam-se com o tempo, portanto, os solos enterrados mais profundamente são mais compactos que os localizados na superfície.


A investigação do solo consiste na investigação subterrânea, testes de corrosividade e resistividade do solo e testes de laboratório.


A investigação subterrânea consiste em testes de amostragem de solo que permitem ao engenheiro geotécnico identificar e documentar os limites do solo, o nível de lençol freático, a porcentagem e o tamanho dos fragmentos de rocha, a profundidade do leito rochoso e assim por diante.


A técnica de investigação subterrânea mais popular, inclusive em aplicações de usinas fotovoltaicas é o Ensaio de Penetração Padronizado, ou Standard Penetration Test (SPT), cujas finalidades são determinar os tipos de solo em suas respectivas profundidades de ocorrência, a posição do nível d’água e os índices de resistência a penetração a cada metro. O método de execução desse teste é descrito na norma NBR 6484.


Esse teste consiste, basicamente, na cravação de um amostrador padrão, que é um instrumento cilíndrico e oco que permite coletar amostras por cravação no solo. A cravação é feita por meio de um martelo de 65 kg que cai sobre o amostrador a uma altura de 75 cm com o auxílio de uma corda. O amostrador padrão precisa penetrar o solo até uma profundidade de 45 cm, divididos em 3 trechos consecutivos de 15 cm. São anotados os números de golpes o que o martelo precisa dar para cravar o amostrador em cada trecho de 15 cm. O índice de resistência à penetração Nspt é a soma do número de golpes requeridos para que o amostrador padrão penetre os últimos 30 cm. Ao final do ensaio o amostrador deverá ser aberto e uma amostra representativa do solo deve ser coletada para análise posterior.


Quando o ensaio atinge o lençol freático, deve-se utilizar o trépano para a remoção do solo liquefeito com auxílio de uma bomba.


Deve-se elaborar o relatório de sondagem após o fim do teste, cujas informações contidas nele são necessárias para posteriores tomadas de decisões por parte do projetista de fundações. Um exemplo de relatório é mostrado na figura abaixo.



Figura 2: Exemplo de relatório de sondagem [5].


Uma boa investigação geotécnica também compreende a avaliação da corrosividade e da resistividade do solo. As estruturas metálicas, quando enterradas, tornam-se sujeitas à ação corrosiva do solo, levando à deterioração da estrutura. A corrosão pelo solo ocorre devido à composição química, o pH, a umidade, a atividade microbiológica, etc. A resistividade do solo também exerce influência na corrosão. Em solos de alta resistividade, têm-se baixas velocidades de corrosão, pois a condução iônica no solo é dificultada. Portanto, o conhecimento dessas características do solo é importante para prever a longevidade da estrutura metálica enterrada. Os testes de resistividade do solo também serão úteis para o projeto da malha de aterramento.


Durante as investigações no local, são coletadas amostras de solo. Essas amostras são enviadas para o laboratório, onde se pode realizar análises químicas para avaliar o potencial corrosivo do solo, assim como classificar e descrever os solos de acordo com parâmetros da engenharia. Porém, para otimizar as fundações de usinas fotovoltaicas, é necessário realizar testes de carga em campo.


2.3 Ensaio de Pull-Out


O ensaio de Pull-Out é um teste de carga que consiste em instalar estacas de teste e aplicar cargas horizontais e verticais de projeto de fundação. Durante o teste são registradas as medidas de deslocamento e a força aplicada. Esse teste mede diretamente a capacidade de suporte do solo com base nas cargas específicas do projeto e no tipo de fundação.


Normalmente os testes de carga são realizados ao longo do perímetro do terreno onde será instalada a usina. Os locais de teste são previamente planejados, e após as descobertas subterrâneas pode-se fazer alterações no plano.


Os testes de carga fornecem informações sobre a praticidade de instalar uma fundação específica. Por exemplo, se uma determinada quantidade de estacas encontrarem recusa, poderá ser necessário adotar um diferente tipo de base. Com essa informação, pode-se solicitar ao engenheiro de fundação para projetar um tipo de fundação diferente.


Figura 3: Pull-Out teste, a) vertical e b) horizontal [6].


3. Projeto ótimo de fundação


Os engenheiros de fundação utilizam os dados obtidos pelos procedimentos anteriores para o projeto ótimo da fundação. Alguns tipos de fundação se encaixam melhor em determinados tipos de solo e em determinadas condições locais. Em pequenos projetos, pode-se escolher adotar um único tipo e tamanho de fundação para economizar em questões logísticas. Porém, em projetos maiores, evita-se utilizar uma solução de tamanho único.


3.1 Estaca cravada


Estacas cravadas são mais apropriadas em solos firmes e compactos, com materiais de grão fino o suficiente, como por exemplo argila, para fornecer alta fricção. Esse tipo de fundação é problemático em solos mais resistentes, como solos com fragmentos de rocha, rocha ou solos com cascalho muito grosseiro. Também é possível utilizar concreto ao redor da estaca para melhorar o engaste mecânico e diminuir a corrosão natural do aço no solo.


A utilização de estacas cravadas é vantajosa pela possibilidade de inspecionar o material antes da cravação e de velocidade de execução.


Existem máquinas sofisticadas para a instalação dessas estacas, como mostrado na figura abaixo. Algumas contam com orientação por GPS e alinhamento e ajuste de altura automático. Essas funções possibilitam velocidade e flexibilidade de instalação, o que é muito importante em aplicações de usinas fotovoltaicas, visto que a quantidade de estacas a serem instaladas é elevada.



Figura 4. Máquina de cravação de estacas [7].


3.2 Âncora helicoidal


As âncoras helicoidais costumam ser utilizadas em fundações de torres de alta tensão, que têm comportamento estrutural semelhantes às estruturas fotovoltaicas. São um sistema de fundação composto por placas de rolamento helicoidal soldadas a um eixo de aço central. As placas de rolamento helicoidal fornecem alta resistência ao arrancamento, mesmo em solos macios.


Essas fundações se adaptam a solos macios, como areia limpa ou solo saturado fraco. São mais adequadas para solos com número de SPT entre 10 a 30 pancadas. Acima de 50 pancadas existe a possibilidade de o solo não ser penetrável com os equipamentos existentes atualmente.


Figura 5. Âncoras helicoidais para usina solar fotovoltaica [8].


3.3 Sapatas


As sapatas são elementos de fundação rasa de concreto armado com capacidade de carga baixa a média. São indicadas para solos estáveis e com boas resistências nas camadas superficiais. Todos os estudos referentes a implantação de estacas devem ser aplicados quando há o uso de sapata exposta ou estacas engastadas em concreto.


Essa fundação possui a vantagem de não furar o terreno, então pode ser utilizada em terrenos em que não é permitido escavar. Apesar de sua simplicidade, deve-se tomar cuidado com a tensão que a sapata transmite ao terreno, para não provocar assentamentos excessivos.


Figura 6: Testes mínimos necessários para implantação de estacas em usinas de solo para diferentes tipos de fundações [9].


4. Conclusões


Usinas fotovoltaicas precisam de fundações que sejam não apenas seguras, mas também economicamente viáveis. Para que o projeto de fundações atenda esses requisitos, é necessária a realização dos estudos preliminares no local de instalação da usina. Quando o engenheiro de fundações não dispõe de uma avaliação geotécnica apropriada, ele é obrigado a fazer suposições conservadoras no projeto de fundações, o que acaba deixando o projeto mais caro. Além disso, uma avaliação geotécnica eficiente evita surpresas durante a construção da usina fotovoltaica.


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Referências


[1] SOLARPRO. Geotechnical Analysis for PV Foundations. 2015.


[2] ALMEIDA, P. L. B. Análise e dimensionamento de fundações de painéis fotovoltaicos em parques solares. 2014.


[3] Silva, A. M. E. C. Acção do vento em seguidores solares. 2013.


[4] Metalúrgica BRIMAK Ltda. Disponível em: https://www.brimak.com.br/foto/images-pbqp/mapa-de-ventos-e-regioes-nbr10821/mapa/


[5] Relatório de Sondagem de Solo SPT a percussão. Disponível em: https://www.joinville.sc.gov.br/public/edital/anexo/35be585a63180660e15c4e04e069561e.pdf


[6] PULL OUT TEST FOR PV TRACKER FOUNDATION DESIGN IN CALAMA, CHILE. Disponível em: https://www.geointec.com/pull-out-test-for-calculation-of-foundations-in-calama-chile/?lang=en


[7] Vermeer expõe produtos e soluções. Disponível em: https://www.construcaolatinoamericana.com/noticias/vermeer-expoe-produtos-e-solucoes/139113.article


[8] Âncora De Pilha De Parafuso De Chão Galvanizado Com Flange. Disponível em: https://pt.pvsolarfirst.com/galvanized-ground-screw-pile-anchor-with-flange_p46.html


[9] Estructuras fijas monoposte STI-F3™. Disponível em: https://ktrsolar.com/productos/estructura-fija-monoposte-paneles-solares/


Autora: Karen Barbosa de Melo


Karen Barbosa de Melo é Engenheira Eletricista na Alexandria Solar, Professora nos cursos do ProfJL e fundadora da KBM Energia. Doutoranda em Engenharia Elétrica na Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), onde desenvolve pesquisa sobre métodos de cálculo da posição do sol aplicados a seguidores solares. Mestre em Engenharia Elétrica pela UNICAMP. Possui graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Amazonas (UFAM) e Técnico em Eletrotécnica pelo Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Amazonas (IFAM).


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