PT104495A - Torre treliçada - Google Patents

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO REFERE-SE A TORRES PRÉ-FABRICADAS COM A ESTRUTURA TRELIÇADA. AS UTILIZAÇÕES POSSÍVEIS PARA ESTE TIPO DE TORRES PODERÃO SER, ENTRE OUTRAS, O SUPORTE DE GERADORES EÓLICOS, O APOIO DE LINHAS DE TRANSPORTE DE ENERGIA ELÉCTRICA OU DE COMUNICAÇÕES, APOIO PARA EXPLORAÇÃO PETROLIFERA OU OUTRA QUALQUER APLICAÇÃO. A INVENÇÃO É CARACTERIZADA POR POSSUIR TRÊS OU MAIS MONTANTES PRÉ-FABRICADOS, COM PEQUENA INCLINAÇÃO, CONTRAVENTADOS HORIZONTALMENTE POR TRAVESSAS, PODENDO TAMBÉM SER UTILIZADAS DIAGONAIS. OS ELEMENTOS ESTRUTURAIS PODERÃO TER FORMA DIVERSA, SER OCOS OU MACIÇOS, E PODERÃO SER LIGADOS ENTRE SI ATRAVÉS DE CABOS, VARÕES, PARAFUSOS, ARGAMASSAS, RESINAS OU OUTRO TIPO DE LIGAÇÃO ESTRUTURAL. OS MATERIAIS A UTILIZAR NAS TORRES PODEM SER BETÃO, BETÃO ARMADO, BETÃO PRÉ-ESFORÇADO, ADMITINDO-SE SOLUÇÕES MISTAS, SOLUÇÕES COM FRP, SIFCON, SIMCON, BETÕES POLIMÉRICOS, BETÕES DE ALTA OU DE MUITO ALTA RESISTÊNCIA OU OUTROS MATERIAIS.

Description

TORRE TRELIÇADA

DESCRIÇÃO

DOMÍNIO TÉCNICO A presente invenção refere-se a torres pré-fabricadas com a estrutura treliçada. As utilizações possíveis para este tipo de torres poderão ser, entre outras, o suporte de geradores eólicos, o apoio de linhas aéreas de transporte de energia eléctrica ou de comunicações, apoio para exploração petrolífera ou outra qualquer aplicação na qual possam ser utilizadas. Estas torres poderão ser implantadas em qualquer lugar, no mar ou em terra.

ESTADO DA TÉCNICA

Ao longo dos tempos têm sido propostas diversas soluções estruturais e métodos construtivos para torres de modo a suportar geradores eólicos ou cabos eléctricos a grande altura. São soluções correntes os mastros espiados, cascas metálicas, estruturas com perfis de aço, torres com estruturas com paredes de betão betonadas no local ou pré-fabricadas, torres híbridas de betão e cascas metálicas, até torres com materiais compósitos ou betões poliméricos. A solução estrutural a adoptar para este tipo de torres deve ser concebida de forma a resistir às acções estáticas e dinâmicas a que está sujeita e o seu processo construtivo deve ser rápido em altura, utilizar elementos facilmente transportáveis e em reduzido número, permitindo desta forma poupar em termos de produção, transporte e custos de instalação e manutenção. Página 1 de 10

Para o suporte de geradores eólicos têm sido utilizadas, em especial, as torres metálicas com aduelas cilíndricas ou tronco-cónicas montadas no local e fixadas à fundação de betão armado através de chumbadores e entre si através de parafusos. Contudo, a necessidade de aumentar a altura das torres, o consequente aumento do diâmetro e da espessura das paredes, e consequentemente da quantidade de aço, tem encontrado crescentes limitações à utilização desta solução estrutural, quer pelo custo do aço, cujo preço tem grandes flutuações no mercado, quer pelas limitações de produção e transporte relacionadas com as dimensões das aduelas requeridas para torres com altura superior a oitenta metros.

Diversas propostas têm sido feitas para melhorar as soluções estruturais disponíveis em aço. Desde soluções com diversas secções anelares e segmentos de casca, como em WO 2004/083633 Al, até soluções com um perfil da parede mais complexo, como em EP 15611883 Al ou soluções híbridas, com uma secção inferior em betão e uma parte superior em aço, como em WO 2005/015013, as quais permitem torres mais altas mas não resolvem, a partir de certa altura, os problemas associados à frequência própria da estrutura.

Além disso, em terra, as torres em estrutura metálica requerem manutenção devido ao aparecimento de corrosão durante o período de vida útil de funcionamento do gerador eólico, que ronda os vinte anos. Nas torres offshore, o problema da corrosão é ainda mais importante, implicando custos acrescidos de manutenção. Este tipo de solução estrutural é caracterizada pela sua simplicidade construtiva, uma vez que os tubos tronco-cónicos de aço, sem reforços longitudinais e só com anéis rígidos nas extremidades, são ligados em juntas afastadas de aproximadamente 20m. Caracterizam-se ainda na facilidade de fabrico, manuseamento Página 2 de 10 e rapidez de transporte e montagem, assim como na possibilidade de desmontar a torre após a conclusão da sua vida útil. Construiram-se milhares de torres deste tipo, existindo muitas empresas com capacidade e experiência de produção, transporte e montagem.

As expectativas para o futuro da energia eólica passam pelo desenvolvimento de turbinas cada vez mais potentes (superiores a 5MW) com o consequente aumento da altura das torres e diminuição do seu número. Face a estes novos limites, algumas das caracteristicas das torres metálicas perdem as vantagens referidas, designadamente: o diâmetro máximo da base da torre, por questões de transporte, não pode exceder os 4,30 metros, o que representa um obstáculo insuperável para o aumento da altura torre; com o aumento da altura da torre e face às limitações dimensionais referidas, as torres metálicas tornam-se estruturalmente mais sensíveis a fenómenos de fadiga, de instabilidade, de flexibilidade e de deficiente comportamento dinâmico para a acção do vento e para as acções dos sismos, por reduzida ductilidade do seu comportamento, para além da exigência de fundações mais pesadas (Pliego, M. G.; Sicart, T. A,; Garcia-Conde, J. S.; "Torres eólicas de hormigón prefabricado". IV Congresso de ACHE, 24-27 de Novembro 2008, Valência, Espanha).

Poderiam considerar-se diversos métodos de construção de torres eólicas em betão. As betonadas "in situ" com cofragem trepante têm limitações essenciais. Nas estruturas com cofragens deslizantes a sua geometria é fortemente condicionada pela tecnologia e custo das cofragens, o tempo de execução é fortemente dependente do clima, a qualidade dos acabamentos é muito heterogénea e existem incertezas associadas a processos que têm muito de artesanal. Como tal, a sua utilização tem sido Página 3 de 10 limitada principalmente a torres de carácter experimental e simbólico.

Outras soluções estruturais em betão armado, para torres com alturas superiores a 95m, foram propostas em DE 100 33 845 Al, DE 60 306 B4, WO 2006/111597 Al e WO 2008/031912 Al. Estas soluções caracterizam-se por aduelas pré-fabricadas em betão armado e pós-esforçado com cabos de aço de alta resistência. Contudo, estas soluções são consideravelmente mais pesadas que as torres metálicas, com os correspondentes custos logísticos de transporte e montagem. As soluções constituídas por cascas em betão armado que depois de assembladas no local constituem torres de secção tubular, resolvem algumas destas dificuldades de montagem e de transporte, reduzindo os respectivos custos (Pliego et al, 2008). Foram, entretanto, propostas outras soluções à base de betões poliméricos, designadamente WO 2008/032281 Al com uma torre de secção tubular composta por cascas pré-fabricadas.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO A invenção é caracterizada por possuir em cada nível, três ou mais montantes (1) pré-fabricados, com pequena inclinação em relação à vertical, contraventados horizontalmente por travessas (2) também pré-fabricadas. Como medida suplementar de contraventamento para resistir às acções do vento, dos sismos, ou outras, poderão ser utilizadas diagonais no plano dos montantes (4) e/ou no plano das travessas (5). Estas diagonais, (4) e (5), podem ser elementos pré-fabricados ou cabos. Os montantes (1) partem da fundação (6) e vão até à base de apoio do equipamento (7) possuindo intersecções com as travessas (2) ao nível dos nós (3) . São possíveis diferentes soluções para a torre. Na solução representada em (16) não existem diagonais quer nos planos dos Página 4 de 10 montantes quer nos planos horizontais ao nível das travessas (17) sempre que os montantes e as travessas possuam capacidade resistente e rigidez para resistir só por si às acções horizontais. Em (18) mostra-se uma solução em que os montantes têm inclinação variável em altura.

Os vários elementos estruturais, montantes (1), travessas (2) e nós (3), poderão ter forma diversa, ser ocos ou maciços, e poderão ser ligados entre si através de cabos, varões, parafusos, argamassas, resinas ou outro tipo de ligação estrutural.

Em função da aplicação para a qual for concebida, a torre pode ser construída no mar (offshore) ou em terra (onshore) . As fundações da torre podem ser de qualquer tipo, directas ou indirectas. Como se mostra na figura 2, a torre pode estar fundada sobre fundações directas no solo ou em rocha (8), através de estacas cravadas no solo com maciço de encabeçamento (9). No mar, a torre pode estar fundada sobre estacas (10) ou ser construída sobre uma estrutura flutuante (11). As fundações da torre por estacas podem consistir numa única estaca por montante (12) e (13) ou conjuntos de mais de uma estaca por montante (14) e (15) . A torre pode ter diversas funções: o suporte de geradores eólicos, o apoio de linhas de transporte aéreo de energia eléctrica ou de comunicações, o apoio para exploração petrolífera ou outra qualquer aplicação na qual possam ser utilizadas. A nível exemplificativo encontram-se representadas na figura 4 duas aplicações possíveis: em (19) suporte de linhas de transporte aéreo de energia eléctrica ou de comunicações e em (20) o suporte de geradores eólicos. A invenção agora apresentada tem a vantagem de permitir a rápida construção de torres de grande altura utilizando elementos facilmente transportáveis e em reduzido número, o que permite Página 5 de 10 poupar em termos de produção, transporte e custos de montagem e manutenção. Além disso, em função das características dos materiais, das dimensões utilizadas para os diversos elementos e do afastamento entre estes será possível controlar a frequência própria de vibração da torre conforme as exigências da utilização prevista.

Os materiais a utilizar nas torres são função do estado da técnica e do respectivo custo. Contudo, actualmente podem ser utilizados o betão, o betão armado, o betão pré ou pós esforçado, as soluções mistas, soluções com FRP, SIFCON, SIMCON, betões poliméricos, betões de alta ou de muito alta resistência e todo o tipo de material que permita que a solução estrutural da torre proposta possa resistir ao nível de tensões actuantes de acordo com os níveis de segurança exigidos. A solução pré-fabricada em betão armado, composta por elementos pré-fabricados que constituem uma treliça espacial, eventualmente pré-esforçados, possui indiscutíveis vantagens em relação à solução em aço e às outras soluções em betão pré-fabricado, evidenciando-se as seguintes: • Adopção de um sistema não condicionado pela bitola dos transportes e, por conseguinte, que proporciona liberdade na escolha da geometria da torre, permitindo a sua optimização estrutural, tanto em termos de capacidade resistente como no controlo da sua frequência natural de vibração; • Capacidade de alcançar grandes alturas e suportar geradores de grande potência onshore e offshore; • Importante melhoria do amortecimento estrutural e, portanto, do comportamento dinâmico, reduzindo as solicitações de fadiga e contribuindo para aumentar a vida útil do equipamento e a redução das acções de manutenção; Página 6 de 10 • As ligações entre elementos serão fiáveis, testadas, livres de manutenção e de fácil e rápida execução em obra, proporcionando todas as vantagens do monolitismo estrutural; • Excelente resposta às acções sísmicas, graças à elevada ductilidade de todos os elementos da torre e o elevado amortecimento estrutural que aumenta em situações de cargas extremas. Isto permite à estrutura absorver e dissipar energia no caso de um sismo, em claro contraste com o comportamento das torres metálicas; • Elevada rapidez de montagem, graças à utilização de peças de grande comprimento e sistemas adequados e rápidos para execução das ligações em estruturais; • Reduzida necessidade de manutenção em contraste com as torres metálicas; • Maior durabilidade das estruturas de betão, em relação com as torres metálicas, em particular em ambientes marítimos, devido à protecção que um recobrimento adequado das armaduras no interior do betão. Esta maior durabilidade aumenta na medida em que se utilizem betões de alto desempenho na estrutura das torres eólicas; • Tolerância a danos causados por impactos ou acções acidentais devido à simplicidade e economia em acções de reparação em circunstâncias deste tipo; • A significativa rigidez e frequência de vibração das torres reduz bastante os requisitos de rigidez da fundação, o que reduz as incertezas associadas à deformabilidade do terreno e permite uma significativa poupança nos custos da fundação, especialmente em terrenos brandos; • Ligação do fuste à fundação simples, económica e fiável; Página Ί de 10 • 0 significativo peso da torre tem um efeito estabilizador e permite uma significativa redução do peso necessário da própria fundação, com a correspondente redução de custos; • Menor ruido gerado pelo efeito de amortecimento do betão; • Redução das emissões de C02 para a fabricação da torre (entre 55 e 65% das emissões envolvidas na fabricação de uma torre metálica); • Qualidade estética mercê da sua geometria e da qualidade industrial dos acabamentos dos elementos produzidos em fábrica, sendo possível produzir betões com diferentes texturas e cores; • Boa integração na paisagem dos geradores eólicos, na medida em que o aumento da capacidade das torres permite aumentar o seu tamanho e reduzir o seu número para igual potência. • 0 material das torres é totalmente reciclável. Uma vez que, terminada a vida útil da estrutura, o betão, e especialmente o de alto desempenho que é usado em torres eólicas, pode ser utilizado como agregados na preparação de novos betões; • 0 espaço na base da torre permite a montagem de equipamentos em um único nível, sem constrangimentos de espaço; • Facilidade de fixação dos equipamentos aos elementos da torre; • A durabilidade do betão das torres é muito mais elevada que a dos equipamentos de geração que sustentam, não existindo limitações estruturais para a sua capacidade. Isto abre a perspectiva de reinstalação e futura substituição dos geradores eólicos por outros de maior potência, multiplicando as possibilidades de amortização do custo da obra e da infra-estrutura de transporte de energia, especialmente onerosa no caso de instalações offshore. Página 8 de 10 A pré-fabricação em betão permite a industrialização da produção com todas as vantagens associadas. A indústria para o fabrico de torres pré-fabricadas envolve tecnologias simples e materiais disponíveis em abundância praticamente em qualguer local. É possível uma ampla gama de soluções de torres para uma grande diversidade de geradores de diferentes potências, sendo possível adaptar-se às necessidades dos diferentes geradores apenas ajustando a geometria global, mantendo a geometria básica dos elementos principais da torre.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

Os desenhos anexos exemplificam uma solução de acordo com a invenção. A Figura 1 mostra a torre com os diversos niveis e respectivos componentes da solução estrutural: montantes (1), travessas (2), nós (3), diagonais (4), diagonais nos planos horizontais ao nível das travessas (5) , fundação (6) e base de apoio do equipamento (7) . A secção transversal da torre pode ter secção triangular, quadrada ou qualquer outra forma poligonal. Os vários elementos estruturais poderão ter forma diversa, ser ocos ou maciços e poderão ser ligados entre si através de cabos, varões, parafusos ou outro tipo de ligação estrutural. Os materiais a utilizar nas torres são função do estado da técnica e do respectivo custo. Contudo, actualmente podem ser utilizados o betão, o betão armado, o betão pré ou pós esforçado, as soluções mistas, soluções com FRP, SIFCON, SIMCON, betões poliméricos, betões de Página 9 de 10 alta ou de muito alta resistência e todo o tipo de material que permita que a solução estrutural da torre proposta possa resistir ao nível de tensões actuantes de acordo com os níveis de segurança exigidos. A Figura 2 mostra diversos tipos de fundação sobre os quais poderá estar assente a torre, quer seja em terra ou no mar. Contudo, as soluções para as fundações da torre podem ser de qualquer tipo, quer sejam directas ou indirectas. Como se mostra na figura 2, a torre pode estar fundada sobre fundações directas no solo ou em rocha (8), através de estacas cravadas no solo com maciço de encabeçamento de estacas (9). No mar a torre pode estar fundada sobre estacas (10) ou ser construída sobre uma estrutura flutuante (11) . A Figura 3 mostra que as fundações da torre por estacas podem consistir numa única estaca por montante (12) e (13) ou conjuntos de mais de uma estaca por montante (14) e (15).

Na Figura 4 encontram-se representadas outras soluções possíveis para a torre. Em (16) não existem diagonais quer nos planos dos montantes quer nos planos horizontais ao nível das travessas (17). Em (18) mostra-se uma solução em que os montantes têm inclinação variável em altura. Esta figura mostra ainda duas aplicações possíveis: em (19) suporte de linhas de transporte de energia eléctrica e em (20) suporte de geradores eólicos. Página 10 de 10

Claims (7)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Uma torre para suportar geradores eólicos, linhas de transporte de energia ou de comunicações, depósitos de água, pilares de grande altura para viadutos ou pontes, exploração petrolífera ou outra qualquer aplicação, na qual possam ser utilizadas, em terra ou no mar, caracterizada por possuir uma estrutura treliçada pré-fabricada, constituída em cada nível por três ou mais montantes pré-fabricados, com pequena inclinação em relação à vertical, e por travessas em planos horizontais, podendo, eventualmente, conter contraventamentos nos planos dos montantes e/ou nos planos das travessas para resistir às acções do vento, dos sismos, ou outras, onde poderão ser utilizados outros elementos pré-fabricados ou cabos.
2. 2. A torre, de acordo com a reivindicação 1, é caracterizada por possuir vários dos elementos estruturais pré- fabricados que podem ser ocos ou maciços, e que são ligados entre si através de argamassas, cabos, varões, parafusos ou outro tipo de ligação.
3. 3. A torre, de acordo com as reivindicações 1 e 2, é caracterizada por poder ser construída com betão armado pré-esforçado, com betões armados reforçados com fibras, com betões de alta ou muito alta resistência, com soluções mistas, com argamassas de base polimérica ou com materiais compósitos.
4. 4. A torre, de acordo com as reivindicações 1 a 3, é caracterizada por poder, em parte ser realizada no local e a outra ser pré-fabricada. Página 1 de 2
5. 5. A torre, de acordo com as reivindicações 1 a 4, é caracterizada por poder ser construída em offshore ou em terra.
6. 6. A torre, de acordo com as reivindicações 1 a 5, é caracterizada por poder ser construída sobre estacas com o mesmo alinhamento dos montantes, sobre maciços de encabeçamento de estacas, ou sobre uma estrutura flutuante.
7. 7. A torre, de acordo com a reivindicação 1, é caracterizada por poder possuir um revestimento de fachada exterior pré-fabricado, permitindo, a diferentes níveis da torre, a existência de salas para equipamentos ou outras funções. Página 2 de 2