Introdução à Estaca Helicoidal

• Introdução

Em 1836, na cidade de Maplin (Inglaterra), foi registrado o primeiro caso de utilização de estaca helicoidal. 

Um engenheiro irlandês chamado Alexander Mitchell, conhecido por ser cego desde sua juventude, mas de grande capacidade intelectual, possuía um negócio bem-sucedido de fabricação de tijolos e na construção de casas em Belfast (Irlanda). Desde muito tempo, ouvia relatos sobre embarcações encalhadas em bancos de areias submersas, e a partir daí, se auto desafiou e decidiu estudar uma solução capaz de resolver esse problema.

Depois de muito estudo, por volta de 1833, desenvolveu a utilização de estacas helicoidais nas fundações para os faróis da costa inglesa. Na ocasião desenvolvida de madeira com a ponta feita de ferro fundido. 

A instalação deste tipo de estaca era feita por aparafusamento utilizando-se força humana ou animal que andavam sobre uma plataforma provisória para fazer a alavanca necessária para a instalação (Rankine, 1877). 

A nova solução teve uma grande aceitação na época e permitiu que Mitchell expandisse significativamente a utilização de estaca helicoidal pelo mundo. Em 1843 o primeiro episódio de uso de estacas nos Estados Unidos da América, no farol em Rock Harbor (estado americano de Connecticut). 

Entre 1843 a 1850 mais de 100 faróis foram construídos na costa leste da Flórida e no Golfo do México usando o método de âncora helicoidal (STEPHENSON, 1997).

Com o avançar das décadas a aplicação de estaca helicoidal foi expandida, tendo grande importância para o desenvolvimento elétrico e de telecomunicações, em especial durante o período da Guerra Fria, e por consequência, desenvolvendo fabricantes em diversos países no mundo, como Estados Unidos, Rússia, Japão, Inglaterra, Canadá e Austrália (Perko, 2000). 

Desde então, sua aplicação ao redor do mundo tem se popularizado e expandido nos mais diversos tipos de projetos. No Brasil, esta solução é utilizada há mais de 20 anos, mas nos primeiros anos, toda sua utilização se concentrou como fundação de torres de linha de transmissão. Mas sua utilização no Brasil, tem se expandido e já existem registros de sua utilização, também, como fundação de obras de:

• Equipamentos e Silos;
• Galpões industriais; 
• Gasodutos;
• Parques Solares e Eólicos; 
• Passarelas;
• Postes metálicos; 
• Reforços Estruturais;
• Contenções Horizontais; 
• Estacas de Reação em Provas de Carga.

• O que é estaca helicoidal

Estaca Helicoidal é um tipo de fundação profunda instalada em solo através de torque, constituída por haste metálica, tubular ou maciça, com múltiplos helicoides soldados que são responsáveis por absorver os esforços aplicados na estrutura e transmiti-los ao solo.

A partir do dimensionamento mecânico e geotécnico, obtido através de modelos matemáticos reconhecidos em literaturas nacionais e internacionais, sãos definidos as propriedades mecânicas e geométricas da haste e das hélices (quantidade e posicionamento). Definido ainda os parâmetros de finalização, como comprimento e torque mínimo, que são necessários para atender os esforços transmitidos as estacas, sejam eles de tração e compressão.

Figura 3. Estaca Helicoidal

Neste momento é realizado também a definição do tipo de solução que será adotado, no que diz respeito à quantidade de estacas por bloco, podendo ser: 

• Estaca Individual: onde apenas uma estaca é responsável pela absorção e transmissão de todos os esforços;
• Estaca Múltipla: onde o esforço é transmitido a um elemento (bloco), que faz a redistribuição do mesmo entre “n” estacas;

As estacas são compostas por:

• Haste metálica

A haste metálica, normalmente entre 2” a 6”, é utilizada para transmitir o torque durante a instalação, transferir as cargas axiais ás hélices e fornecer a resistência ao carregamento lateral (STEPHENSON, 2003).

No Brasil, geralmente os tubos são fabricados a partir de aço corten (aço patinável) que apresenta em sua composição química elementos que ajudam na proteção anticorrosiva. Em alguns casos onde o solo seja mais agressivo, pode-se adotar proteções adicionais como galvanização, revestimento ou pintura epóxi. 

• Hélices

As hélices, responsáveis pela maior capacidade portante no elemento da estaca, são constituídas de chapas de aço, em grau similar ao da haste, com espessura suficiente para transmitir os esforções que lhe são aplicados. Possuem ainda abertura de passo controlado, de modo a garantir a devida transferência dos esforços, fácil penetração e mínima perturbação ao solo. 

Soldadas à haste metálica e tem por objetivo transferir os esforços da fundação na camada de solo competente, garantindo assim a correta absorção do carregamento aplicado.

Alterando suas propriedades (tipo de aço, área, espessura, diâmetro, bordas de ataque, passo) é possível estabelecer maior capacidade portante para o conjunto. 

• As Partes da Estaca

O comprimento das peças é definido através de análises das condições geotécnicas ou de limitações de logísticas (acesso, altura livre do local, peso ou braço do equipamento), possuindo um comprimento máximo médio de 3,5m. São admitidas conexões de seções no conjunto de modo a garantir atendimento das condições mínimas de profundidade e torque estabelecidas em projeto. Tais conexões devem assegurar a completa transmissão dos esforços entre as seções sem que haja dano estrutural em qualquer elemento. 

Atualmente, o mais usual para estas conexões é a execução de bolsas em uma das pontas da estaca e a utilização de conjuntos de parafusos com porcas e arruelas.

a – Seção Guia

b – Seção Intermediária / Sobreguia / Extensão com hélice

c – Seção Lisa / Extensão Lisa

Representação do posicionamento da estaca helicoidal na fundação.

Figura 4: Representação do posicionamento da estaca helicoidal na fundação.

d – Terminações

Para cada tipo de fundação ou esforço atuante é preciso utilizar um acessório que consiga transferir os devidos carregamentos. A seguir, alguns dos exemplos mais utilizados:

1º – Conector Estai: utilizado em geral em torres de transmissão de energia do tipo estaiada, e como elemento conector em conjuntos de reação para ensaios de prova de carga, atuando com esforços axiais à tração.

2º – Capacete: utilizado para garantir a transmissão dos esforços em blocos de concreto. Usualmente utilizados em fundações de edificações, galpões industriais, torres de transmissão de energia autoportantes, mastros de torres estaiadas com esforços de tração e compressão.

3º – Bloco Metálico: utilizado em mastro de torres de transmissão de energia estaiadas e pés de torres autoportantes, em substituição de bloco de concreto, com esforços a compressão.

4º – Conjunto Balancim: utilizado em torres de transmissão de energia estaiadas para distribuição de carga em duas estacas, à esforços a tração.

Figura 13. Representação 3D Conjunto Balancim

5º – Viga tripla: utilizado para reforço de fundação em torre estaiada, com esforços à tração, sem que haja a necessidade da retirada da estaca original.

• Vantagens

As estacas helicoidais apresentam diversas vantagens em fundações novas e até mesmo na recuperação de estruturas já existentes. Quando instaladas corretamente, a partir de um projeto executivo bem elaborado, a solução prova atender todos os parâmetros solicitados. Além disso oferecem:

• Possibilidade de absorção de esforços variados com a mesma configuração, o que confere flexibilidade para o projeto;
• Alta performance nos mais diversos tipos de solos, possibilitando sua utilização em regiões de solo de menor capacidade portante;
• Possibilidade de utilização em solos com NA elevado, sendo uma solução extremamente eficaz para regiões que possuem NA, inclusive, aflorado;
• Possibilidade de reutilização das peças, reduzindo o custo de seu emprego em obras temporárias;
• Correlação entre o torque de instalação e a real capacidade de carga, aumentando a confiabilidade da solução e validando os ensaios de investigação de solo, previamente realizados;
• Solução industrializada, retirando todas as incertezas de campo de sua fabricação;
• Equipamento simples necessário para sua instalação, permitindo sua utilização em qualquer região e com ágil deslocamento entre os pontos de instalação;
• Equipe reduzida necessária para a instalação, reduzindo custo de mobilização e execução da solução;
• Alta produtividade, sendo demandado em torno de 40min para a execução de cada estaca;
• Possibilidade de carregamento imediato, por se tratar de uma solução 100% metálica, não sendo, portanto, necessário aguardar período de cura do concreto, reduzindo assim custos com atividades prévias (escavação, armação, forma, concretagem) e posteriores (vibração, cura, desforma, nivelamento) ao ponto de instalação; 
• Simplificada conexão às estruturas, em geral parafusada, sendo possível, inclusive, desenvolvimento de terminações especificas para projetos complexos;
• Solução de baixo impacto ambiental, por não gerar elevados ruídos, rejeitos ou vibrações no campo.

Assim como em todas as fundações, existem situações onde sua utilização não apresentará boa performance, como por exemplo, em solos com grande quantidade de pedregulho, rocha e matacões.