BRPI1101612B1

BRPI1101612B1 - Método de construção de uma torre híbrida

Info

Publication number: BRPI1101612B1
Application number: BRPI1101612-4A
Authority: BR
Inventors: Alain Huynh Tuong; Benoît Melen
Original assignee: Soletanche Freyssinet
Priority date: 2010-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2020-06-16
Also published as: CA2735625A1; KR20110112228A; JP5822509B2; EP2374966A1; CN102213033A; KR101756323B1; AU2011201502A1; CN102213033B; JP2011220102A; US8297025B2; US20110239584A1; EP2374966B1; DK2374966T3; ES2595231T3; CA2735625C; AU2011201502B2

Abstract

método de construção de uma torre híbrida para um gerador eólico. no método de construção de uma torre híbrida, um mastro metálico (4) é erguido e conectado a uma fundação (11) e uma estrutura concreta (3) é construída em volta do mastro metálico usando o mastro metálico como suporte. em seguida, o mastro metálico é desconectado da fundação e içado pela inserção telescópica e guiamento do mastro metálico ao longo da estrutura de concreto. finalmente, o mastro metálico içado é conectado á estrutura de concreto.

Description

“MÉTODO DE CONSTRUÇÃO DE UMA TORRE HÍBRIDA”

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se à construção de torres híbridas contendo uma parte inferior feita de concreto e uma parte superior feita de metal.

[002] Geralmente, tal torre é usada para sustentar a nacele de um gerador eólico in-shore de grande potência (por exemplo, 3 MWatt ou mais) bem acima do nível do solo (por exemplo, cerca de 140 m).

[003] Quando a altura de uma torre de gerador eólico aumenta, o custo dos mastros cilíndricos convencionais em metal torna-se excessivo. Para contornar a limitação tecnológica dos mastros metálicos cilíndricos, alguns fabricantes desenvolveram torres feitas de treliças de aço. No entanto, tais torres apresentam uma estética insatisfatória.

[004] Outros fabricantes produzem a torre com concreto moldado no local ou pelo menos parte da altura da torre, usando uma fôrma deslizante ou de subida. Esse tipo de método de construção é sensível às condições de temperatura que podem ser experimentadas no local, retardando ou impedindo o endurecimento do concreto, e também às condições do vento, uma vez que as armaduras de concreto devem ser montadas com um guindaste elevado. Tal método de construção torna-se muito caro para torres muito altas.

[005] Algumas torres de geradores eólicos são feitas de elementos de concreto pré-fabricados em toda a sua extensão. Os elementos são içados mediante o uso de um guindaste alto. Eles podem ser montados em segmentos anulares no chão, tendo o guindaste potência suficiente para erguer um segmento inteiro, ou diretamente para a posição elevada. Uma desvantagem dessa técnica é a sua sensibilidade ao vento e as restrições regulatórias associadas, causando forte impacto nos atrasos da construção. Outra limitação é a disponibilidade de guindastes com potência e altura suficientes, que deverão ser reservados com meses de antecedência.

[006] Propuseram-se ainda algumas técnicas telescópicas para a construção de usinas de energia eólica. Por exemplo, a DE10111280 revela uma usina de

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2/10 energia eólica contendo segmentos de mastro içados por um dispositivo de elevação de modo a inserir novos segmentos por debaixo. A JP 1 190883 revela um método de içamento de uma torre de ferro sobre uma construção alta usando macacos e um contrapeso fixo à parte inferior da torre de ferro. Outro dispositivo de içamento para a montagem de uma turbina eólica é revelado na WO 2007/125138 A1.

[007] O conceito de uma torre híbrida, feita de concreto em parte da altura (por exemplo, 50 m ou mais) e um mastro de metal sobre ela, torna possível tirar proveito de um processo de concreto industrial e evitar a necessidade, por parte do prestador de serviços de engenharia civil, de manipular cargas pesadas usando guindastes de alta capacidade. Tal tecnologia é compatível com a organização de fornecedores de geradores eólicos que dispõem de seus próprios guindastes especiais para a instalação de suas naceles. No entanto, tal tecnologia dificilmente foi posta em prática.

[008] Há a necessidade de desenvolver o conceito de torre híbrida para torná-la mais praticável.

[009] Propõe-se um método de construção de uma torre híbrida, compreendendo:

- erguer um mastro metálico conectado a uma fundação;

- construir uma estrutura de concreto contendo uma multiplicidade de segmentos de concreto sobrepostos em torno do mastro metálico usando o mastro metálico como suporte;

- desconectar o mastro metálico da fundação;

- erguer o mastro metálico mediante a inserção telescópica e o guiamento do mastro metálico ao longo da estrutura de concreto; e

- conectar o mastro metálico erguido à estrutura de concreto.

[010] A etapa de construção da estrutura de concreto compreende:

a) instalar pelo menos um primeiro segmento da estrutura de concreto;

b) içar o(s) segmento(s) instalado(s) da estrutura de concreto ao longo do mastro metálico mediante o guiamento dos segmentos içados da estrutura de con

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3/10 creto ao longo do mastro metálico usando dispositivos de apoio adequados, de modo a liberar um espaço com altura suficiente para receber o próximo segmento da estrutura de concreto;

c) instalar o próximo segmento da estrutura de concreto no referido espaço; e

d) repetir as etapas b) e c) até o último segmento da estrutura de concreto ser instalado na parte inferior da estrutura de concreto.

[011] O mastro metálico é usado como suporte durante a construção da estrutura de concreto, e em seguida a estrutura de concreto é usada como suporte para elevar o mastro metálico. O método é bastante adequado à instalação industrial de grandes parques eólicos, com muitas etapas realizadas no nível do solo, onde as condições ambientais são manipuladas ou controladas de melhor forma.

[012] A estrutura de concreto normalmente é construída mediante a montagem de elementos pré-fabricados, embora métodos de moldagem in situ também possam ser usados para pelo menos parte da altura da estrutura de concreto.

[013] Em uma concretização, uma estrutura de guiamento é conectada a uma parte inferior do mastro metálico, tendo a estrutura de guiamento uma parte inferior provida de uma parte de guia que coopera com a estrutura de concreto quando o mastro metálico é içado. A estrutura de guiamento pode ser conectada de forma removível à parte inferior do mastro metálico, e desconectada após a etapa de içamento do mastro metálico de modo que seja reutilizável na construção de outra torre.

[014] A estrutura de guiamento pode ser colocada entre o mastro metálico e a fundação na etapa de erguer o mastro metálico, e usada como uma estrutura de suporte de içamento na etapa de construção da estrutura de concreto.

[015] Outros aspectos e vantagens do método e torre aqui revelados transparecerão na descrição seguinte das concretizações não limitantes, com referência aos desenhos anexos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

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[016] A Figura 1 é uma vista esquemática em perspectiva de uma máquina eólica instalada sobre uma torre híbrida;

As Figuras 2 a 6 são diagramas que ilustram diferentes etapas da construção da torre híbrida em uma concretização da invenção.

DESCRIÇÃO DAS CONCRETIZAÇÕES PREFERIDAS

[017] Como mostra a figura 1, uma torre híbrida 1 para um gerador eólico 2 tem uma estrutura concreta 3 na parte inferior e um mastro metálico 4 na parte superior. A nacele 5 para o gerador 2 é montada sobre o mastro metálico 4. O mastro 4 pode ser formado de uma ou mais seções cilíndricas em aço montadas por aparafusamento ou soldagem.

[018] Nas concretizações ilustradas, a estrutura de concreto 3 inclui segmentos sobrepostos 6 montados no local a partir de elementos de concreto préfabricados. A estrutura de concreto 3 tem uma forma geralmente cônica que pode ser formada com um ângulo constante ao longo de sua altura. Também é possível ter uma seção de concreto cilíndrica acima da forma cônica, caso se deseje ter uma distância constante entre a parede da torre e as pás rotativas 7 do gerador eólico 2. No exemplo representado na figura 1, a forma cônica tem uma base circular. Será apreciado que várias outras formas podem ser usadas, por exemplo, formas piramidais com um ângulo constante, tornando possível minimizar o número de elementos de fôrma para moldagem dos elementos de concreto.

[019] Para construir a torre híbrida, primeiramente se instala uma fundação (não ilustrada na figura 1) no solo. Ela pode ser uma fundação profunda, com barras estendendo-se para dentro do solo em nível profundo, ou uma fundação superficial com inércia e extensão horizontal suficientes para estabilizar a torre. Em seguida, o mastro em aço 4 é erguido e conectado firmemente à fundação em sua base de modo a ser usado como uma estrutura de suporte durante a construção da estrutura de concreto 3. Quando a estrutura de concreto é concluída, o mastro metálico é desconectado da fundação e içado mediante inserção telescópica e guiamento ao longo da estrutura de concreto. Ao final do curso de içamento, o mastro metálico 4 é coPetição 870190126133, de 01/12/2019, pág. 17/30

5/10 nectado à parte superior da estrutura de concreto 3.

[020] A estrutura 3 pode ser construída mediante o içamento de elementos de concreto pré-fabricados usando um guindaste ou um guincho montado sobre o mastro 4 e conectando-os à estrutura sendo construída. O mastro central 4 é usado como suporte para içar e/ou posicionar os elementos, o que é particularmente útil quando da presença de ventos fortes.

[021] Em outra concretização, um exemplo da qual é ilustrado nas figuras 2 a 5, a estrutura de concreto 3 é construída mediante a montagem de segmentos de cima para baixo, por debaixo. Cada segmento 6 pode ser formado pela montagem de elementos de concreto no nível do solo, unindo-os ao longo das juntas verticais. A formação dos segmentos de concreto no nível do solo é vantajosa, uma vez que é relativamente fácil controlar as condições ambientais, se necessário, mediante o uso de um envoltório para proteger a área de operação do vento e assegurar uma temperatura adequada.

[022] Como mostra a figura 2, coloca-se uma estrutura de suporte 10 entre o mastro metálico e a fundação 11 quando o mastro metálico é erguido. No exemplo ilustrado, a estrutura de suporte 10 tem uma plataforma horizontal 12 para macacos de montagem usados nas etapas de içamento, um quadro inferior 13 entre a fundação 11 e a plataforma 12 e um quadro superior 14 entre a plataforma 12 e a parte inferior do mastro 4. Os quadros 13, 14 são, por exemplo, feitos de treliças de aço.

[023] A Figura 2 mostra o primeiro segmento 6 da estrutura de concreto 3 que, quando a construção estiver concluída, estará localizado sobre a estrutura de concreto 3. Esse segmento 6 pode ser formado mediante a montagem de vários elementos de concreto pré-fabricados colocados no lugar usando trilhos de guia dispostos no solo, ou pela moldagem de concreto em uma fôrma disposta acima da fundação 11 em torno do quadro inferior 13 da estrutura de suporte 10. Uma vez completo o primeiro segmento 6, suportes angulares 16 são fixos à sua face interna próximo à parte inferior do segmento. Cada suporte angular 16 tem uma superfície de contato horizontal 17 para receber a extremidade inferior de um cabo de içamen

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6/10 to 18. Uma série de suportes angulares 16 (por exemplo, oito) são distribuídos ao longo da circunferência do segmento 6. Cada cabo de içamento 18, cuja extremidade inferior se apoia na superfície de contato 17 de um suporte angular 16, estendese para além da plataforma 12 da estrutura de suporte 10, onde é retido por um macaco 19.

[024] A partir da posição ilustrada na figura 2, os macacos 19 são energizados para acionar os cabos de içamento 18, içando assim o segmento 6 que acaba de ser construído. O segmento 6 é movido para a posição ilustrada na parte superior da figura 3, como indicam as setas A. A Figura 3 também mostra membros de guia 20 posicionados entre a face internado primeiro segmento 6 e a face externa do mastro cilíndrico em aço 4. Esses membros de guia 20 são fixos ao segmento 6 e sua extremidade mais interna pode ter um cilindro que se apoia no mastro 4. Vários membros de guia 20 são distribuídos ao longo da circunferência do segmento 6 para guiar e estabilizar a estrutura de concreto 3 enquanto ela é construída. Eles podem ser fixos ao interior do segmento 6 por um operador situado na plataforma 12 após o segmento 6 ter sido suficientemente içado. Como alternativa, suas posições angulares são desviadas em relação às dos macacos 19 e são fixos quando o segmento 6 está na posição inferior ilustrada na figura 2.

[025] Com o primeiro segmento 6 na posição içada ilustrada na figura 3, o próximo segmento 6 pode ser montado abaixo dele, por exemplo, unindo e ligando elementos de concreto conforme indicado pelas setas B. Quando este próximo segmento 6 estiver pronto, os macacos 19 são progressivamente liberados para dispor suavemente o segmento anterior 6 sobre sua superfície superior, conforme indicam as setas C. Um adesivo pode ser colocado na interface entre os dois segmentos adjacentes 6 de modo a uni-los, se necessário.

[026] Neste ponto, os macacos 19 são controlados para rebaixar os cabos de içamento 18, os suportes angulares 16 são fixos à face interna do segmento 6 que acaba de ser montado (possivelmente após ter sido desmontado do segmento anterior), e a extremidade inferior dos cabos de içamento 18 é respectivamente apli

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7/10 cada às superfícies de contato 17 dos suportes angulares 16. Em seguida, os macacos 19 são novamente energizados para içar os dois segmentos montados 6, conforme indicado pelas setas D na figura 4. Durante esta operação de içamento, a estrutura de concreto 3 é adequadamente guiada ao longo do mastro 4 por meio dos membros de guia 20.

[027] A sequência de operações das figuras 3-4 é então repetida diversas vezes até que todos os segmentos 6 da estrutura de concreto 3 tenham sido instalados. Opcionalmente, os membros de guia adicionais, como os designados por 20, podem ser instalados em um ou mais dos segmentos 6 para melhorar ainda mais a estabilidade da estrutura de concreto 3.

[028] Após o último segmento 6 (o que está na parte inferior da torre) ser colocado, podem-se montar cabos protendidos para fortalecer a estrutura de concreto 3, por exemplo, usando o processo descrito no pedido de patente No EP 09306323.8 depositado em 23 de dezembro de 2009.

[029] O mastro de aço é então içado. Novamente, esse içamento pode ser realizado usando a plataforma 12 da estrutura de suporte 10 e macacos de cabos. Ele é realizado após desconectar o quadro inferior 13 da estrutura de suporte 10 da fundação 11.

[030] Na concretização ilustrada pela figura 5, uma placa em forma de anel 25 é colocada sobre a estrutura de concreto 3. A placa 25 tem um furo central para deixar uma passagem para o mastro de aço 4 quando este é içado e aberturas regularmente distribuídas ao longo de sua periferia, mas dentro da parede da estrutura de concreto, para reter as extremidades superiores dos cabos de içamento longos 28 (cujo tamanho equivale à altura da estrutura de concreto). As extremidades inferiores dos cabos de içamento longos 28 são conectadas aos respectivos macacos 29 apoiando-se na face inferior da plataforma 12. Os macacos 29 são energizados para elevar a plataforma 12 e os elementos fixos nela, inclusive os quadros 13, 14 da estrutura de suporte 10 e o mastro de aço 4, conforme indicado pelas setas E na figura 5.

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[031] Durante o içamento do mastro de aço 4, a estrutura de concreto 3 que foi previamente construída e, se necessário, protendida, é usada como suporte para guiar e estabilizar o mastro 4. Os membros de guia 20 localizados próximo à extremidade superior da estrutura de concreto 3 (figuras 2-3) podem novamente participar do guiamento da estrutura de concreto 3 ao longo do mastro de aço 4, bem como quaisquer membros de guia adicionais que podem ter sido conectados à face interna dos segmentos de concreto 6 durante seu erguimento.

[032] Com relação a essa função de guiamento da estrutura de concreto 3, a fase crítica é claramente a fase final em que o mastro 4 atinge sua posição final acima da estrutura de concreto 3. A eficiência do guiamento é proporcional à distância vertical entre os pontos de apoio mais superior e mais inferior, e essa distância é mínima durante a fase final na qual, além do mais, os efeitos do vento são máximos.

[033] De modo a melhorar a função de guiamento, a distância vertical mencionada acima é aumentada pelo uso de membros de guia adicionais 30 conectados à parte inferior do quadro inferior 13 da estrutura de suporte 10. Tais membros de guia 30 são distribuídos em torno da periferia do quadro inferior 13 numa configuração em estrela. Cada um deles tem um braço fixo 31 conectado ao quadro inferior 13, um braço móvel 32 que pode deslizar radialmente na extremidade do braço fixo 31 distante do quadro inferior 13, um cilindro 32 montado de modo pivotante em torno de um eixo geométrico horizontal na extremidade do braço móvel 32 e um atuador (não ilustrado) para controlar a extensão radial do braço móvel 32.

[034] Os membros de guia 30 são fixos à estrutura de suporte 10 antes de ativar os macacos 29 para erguer o mastro 4. Nesse momento, os braços móveis 32 são estendidos externamente para serem aplicados contra a parede interna da estrutura de concreto 3. Quando o mastro é elevado, a posição dos braços móveis 32 é ajustada por meios dos atuadores para retraí-los progressivamente à medida que a seção transversal da estrutura de concreto 3 em frente aos membros de guia 30 é reduzida.

[035] A nacele 5 do gerador eólico 2 pode ser instalada sobre o mastro 4

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9/10 após a operação de inserção telescópica. Como alternativa, ela é instalada antes de estender o mastro ou após ter sido parcialmente estendida. Neste caso, é preferível que o centro de gravidade da nacele esteja alinhado com, ou próximo do eixo geométrico central da torre.

[036] A Figura 6 ilustra a posição do mastro 4 e da estrutura de suporte 10 no final da operação de içamento. A parte esquerda da figura mostra uma posição angular na qual há um membro de guia 20, enquanto que a parte direita mostra uma posição angular na qual há um cabo de içamento 28 e o macaco associado 29. Observa-se que a distância vertical H entre os membros de guia 20 próximo ao topo da estrutura de concreto 3 os membros de guia 30 na parte inferior da estrutura de suporte 10 é significativa, muito maior do que h entre os membros de guia 20 e a parte inferior do mastro. A estrutura 10, portanto, é designada como uma estrutura de guiamento que contribui para estabilizar o mastro 4 antes de sua conexão final com a estrutura de concreto 3. Vantajosamente, essa estrutura de guiamento 10 também é usada como uma estrutura de suporte de içamento na etapa de construção da estrutura de concreto 3, como discutido com referência às figuras 2 a 4.

[037] Podem-se considerar outras configurações da estrutura de guiamento/suporte 10 além da ilustrada nas figuras 2 a 6. Em tal concretização, a estrutura 10 tem uma segunda plataforma móvel conectada à plataforma fixa 12 pelos cabos de içamento 18 e capaz de deslizar ao longo de trilhos verticais. A plataforma móvel é aplicada à parte inferior dos segmentos 6 para içá-las por debaixo durante a montagem da estrutura de concreto 3. Suas bordas laterais são munidas dos membros de guia 30 a serem usados na etapa de içamento do mastro de aço 4.

[038] Vários meios podem ser usados, separadamente ou em combinação, para conectar o mastro 4 à estrutura de concreto 3. Por exemplo, vigas de aço podem ser inseridas horizontalmente na região onde a parte inferior do mastro 4 para a parte superior da estrutura de concreto 3 se sobrepõe. Também é possível dispor primeiras armaduras no mastro de aço 4, projetando-se externamente na parte inferior do mastro metálico, e segundas armaduras na estrutura de concreto 3, projetan

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10/10 do-se internamente a partir do segmento mais superior 6, e conectar o mastro metálico içado à estrutura de concreto mediante o despejo de cimento ou argamassa no intervalo em que a primeira e segunda armaduras se sobrepõem e estendem.

[039] Posteriormente, uma vez que o mastro 4 esteja conectado à estrutura de concreto 3, a estrutura de guiamento 10 pode ser desconectada da parte inferior do mastro metálico 4 e rebaixada ao nível da fundação usando os cabos 28 e os macacos 29. A estrutura de guiamento/suporte 10 pode então ser desmontada e retirada da torre para ser reutilizada na construção de outra torre similar.

[040] Será apreciado que a concretização descrita acima é uma ilustração da invenção revelada aqui e que várias modificações podem ser feitas sem divergir do escopo conforme definido nas reivindicações anexas. Por exemplo, é possível montar uma série de elementos da estrutura de concreto usando um guindaste antes de instalar elementos adicionais com um método conforme descrito com referência às figuras 2-4.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de construção de uma torre híbrida (1), compreendendo:

- erguer um mastro metálico (4) conectado a uma fundação (11);

- construir uma estrutura de concreto (3) contendo uma pluralidade de segmentos de concreto sobrepostos (6) em torno do mastro metálico usando o mastro metálico como suporte;

- desconectar o mastro metálico da fundação;

- erguer o mastro metálico mediante inserção telescópica e o guiamento do mastro metálico ao longo da estrutura de concreto; e

- conectar o mastro metálico erguido à estrutura de concreto, em que a etapa de construção da estrutura de concreto compreende:

a) instalar pelo menos um segmento de concreto (6) da estrutura de concreto (3);

b) içar o segmento de concreto instalado ou os segmentos de concreto instalados da estrutura de concreto ao longo do mastro metálico (4) mediante o guiamento do segmento de concreto içado ou os segmentos de concreto (6) instalados da estrutura de concreto (3) usando o mastro metálico (4), de modo a liberar um espaço com altura suficiente para receber um próximo segmento de concreto da estrutura de concreto;

c) instalar o próximo segmento de concreto da estrutura de concreto no referido espaço; e

d) repetir as etapas b) e c) até um último segmento de concreto da estrutura de concreto ser instalado em uma parte inferior da estrutura de concreto,

CARACTERIZADO pelo fato de que uma estrutura de suporte (10) é colocada entre o mastro metálico e a fundação quando o mastro metálico é erguido, a estrutura de suporte (10) tendo uma plataforma horizontal (12) tendo macacos de montagem usados para erguer os segmentos de concreto instalados para construir a estrutura de concreto, um quadro inferior (13) entre a fundação (11) e a plataforma (12) e um quadro superior (14) entre a plataforma (12) e uma parte inferior do mastro (4).

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2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a estrutura de concreto (3) é construída pela montagem de elementos préfabricados.
3. Método, de acordo qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO por compreender adicionalmente montar uma nacele de gerador eólico (5) em uma parte superior do mastro metálico (4).
4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato de que a estrutura de suporte tem uma parte inferior fornecida com uma parte de guia (30) para cooperação com a estrutura de concreto (3) quando o mastro metálico é içado.
5. Método, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que a estrutura de suporte (10) é desconectada da parte inferior do mastro metálico (4) após a etapa de içar o mastro metálico.