Estrutura em Malha de Grande Vão: Engenharia do Armazém de Carvão de 229 m

O galpão de carvão fechado da Usina Termelétrica Guodian Ningxia Fangjiazhuang se estende por 229 metros — o vão livre mais longo do mundo para uma estrutura de armazenamento de carvão. Para colocar isso em perspectiva: 229 metros é o comprimento de dois campos de futebol e meio, colocados lado a lado, sem colunas internas. O telhado deve suportar carga de neve, carga de vento, seu próprio peso morto e a pressão lateral do carvão estocado contra as paredes inferiores — tudo isso sem qualquer suporte intermediário.

Este artigo é um relato de engenharia de como alcançamos esse recorde. Não é material de marketing. Ele aborda o conceito estrutural (por que viga-corda, e não grade espacial), a sequência de pré-tensionamento, carga de vento em uma estrutura com mais de 40.000 m² da área da superfície, ancoragem da fundação para forças de cabo e o método de construção. Cada número neste artigo vem da análise estrutural do projeto e dos registros de fabricação.

1. Por que Fio-de-Viga, e não Grade Espacial?

Nossas oficinas em Xuzhou produzem mais de 3.000.000 m² de construção de grade espacial por ano, e o projeto de 229 m abaixo é uma das 500 estruturas que entregamos desde 1999. Para a maioria dos vãos de até 120 m, uma grade espacial de camada dupla é a estrutura mais eficiente. Então, por que não usamos uma grade espacial para o galpão de carvão de 229 m?

A resposta é eficiência de peso em envergadura extrema. O peso por metro quadrado de uma estrutura em grade espacial aumenta aproximadamente de forma linear com o vão, porque as forças nos elementos crescem com o vão e os tamanhos dos elementos devem aumentar proporcionalmente. Em um vão de 229 m, uma grade de camada dupla exigiria elementos com forças axiais superiores a 2.500 kN, necessitando de nós pesados com esferas soldadas e tubos de grande diâmetro (Ø273 × 16 mm ou maiores). O consumo de aço seria aproximadamente 85-95 kg/m², totalizando 3.400-3.800 toneladas de aço para os 40.000 m² telhado.

Uma estrutura viga-corda alcança o mesmo vão com aproximadamente 45-55 kg/m² — uma redução de 40-45% no peso do aço. O tonelagem total de aço é de 1.800-2.200 toneladas, economizando 1.600 toneladas de aço. Com os preços do aço de 2023, esta é uma economia de material de aproximadamente 12-15 milhões de RMB (1,7-2,1 milhões de USD). A economia mais do que compensa o custo adicional dos cabos de protensão, âncoras de cabos e o processo de fabricação e montagem mais complexo.

O Conceito de Viga-Corda

Uma estrutura viga-corda consiste em três componentes:

1. O cordão superior (membro de compressão): Uma treliça ou viga de aço que suporta a carga gravitacional em compressão e flexão. O cordão superior é o principal elemento estrutural.
2. A corda inferior (membro de tensão): Um cabo ou barra de aço de alta resistência que é tensionado para criar uma força ascendente no cordão superior, contra-atacando a carga da gravidade. O cabo funciona inteiramente em tração — o uso mais eficiente do aço de alta resistência.
3. Estruturas verticais (conectores): Membros verticais que conectam o cordão superior e o cabo inferior, transferindo a força para cima do cabo para o cordão. Esses montantes suportam apenas compressão axial.

O princípio estrutural é elegante: a carga da gravidade dobra o cordão superior para baixo, e o cabo tensionado o puxa de volta para cima através dos pilares. A tensão do cabo é pré-calculada para compensar uma porcentagem específica da carga morta (tipicamente 70-90%), de modo que sob carga morta total e carga viva, o cordão superior experimente um momento fletor reduzido em comparação com uma viga convencional. O cabo suporta a carga em pura tração com uma eficiência que nenhum elemento de compressão pode igualar, porque cabos não se flambam.

Comparação Estrutural a 229 m

A viga-cabo não é apenas mais leve, mas também mais rígida (Deflexão L/400 vs L/250), porque o cabo pré-tensionado fornece um suporte elástico ao longo do vão que reduz o comprimento efetivo à flexão. A compensação é a força horizontal do cabo (850 kN por suporte), que deve ser ancorada na fundação — uma consideração de projeto adicional significativa discutida na Seção 4.

2. A Sequência de Pré-Tensionamento

O desafio de engenharia mais crítico em uma estrutura viga-cabo é a sequência de pré-tensionamento. O cabo não pode ser tensionado em uma única operação — a geometria da estrutura muda à medida que o cabo é tensionado, e essas mudanças de geometria afetam a distribuição de forças em cada elemento. Um tensionamento mal sequenciado pode causar flambagem no cordão superior, sobrecarga nos tirantes ou folga no cabo em estágios intermediários.

Tensionamento em Etapas

O depósito de carvão possui 7 unidades de vigas-corda ao longo de seu comprimento, cada uma com 229 m de extensão transversal. Cada unidade possui 5 cabos (dispostos em padrão de leque a partir das âncoras das extremidades), criando 5 pontos de tensão por unidade. A sequência de tensionamento para cada unidade era:

• Estágio 1 (10% da tensão de projeto, 85 kN): Todos os 5 cabos são tensionados simultaneamente até 10% da tensão de projeto. Isso remove a folga dos cabos e assenta as ancoradouras. A estrutura ainda é suportada por torres temporárias de escoramento nesta etapa.
• Estágio 2 (30% da tensão de projeto, 255 kN): Os cabos são tensionados a 30%. A corda superior começa a se levantar do escoramento. A deflexão é monitorada em 12 pontos ao longo do vão com levantamento topográfico total da estação (precisão ±1 mm). Se algum ponto se desviar da deflexão prevista em mais de 5 mm, a tensão é pausada e o modelo estrutural é reverificado.
• Estágio 3 (60% da tensão de projeto, 510 kN): Os cabos são tensionados a 60%. As torres de escoramento temporárias são removidas. A estrutura agora suporta seu próprio peso morto através da ação da viga e da corda. A deflexão neste estágio é prevista para ser de 15 mm para cima (camber) no meio do vão.
• Estágio 4 (85% da tensão de projeto, 723 kN): Os cabos são tensionados a 85%. A estrutura atinge a condição de pré-carga, com camber no vão médio de 45 mm para cima. Essa deflexão para cima é projetada para ser cancelada pela carga morta do revestimento, isolamento e purlins, que são instalados após essa etapa.
• Estágio 5 (100% da tensão de projeto, 850 kN): Tensionamento final a 100% após a aplicação de todas as cargas permanentes. A estrutura atinge sua geometria de projeto: deflexão zero no meio do vão sob carga permanente, com o cabo fornecendo força ascendente que compensa 80% da carga permanente.

Cada estágio requer um mínimo de 4 horas para redistribuição de forças e relaxamento por fluência antes que o próximo estágio comece. O tempo total de tensionamento por unidade é de 2 a 3 dias. As 7 unidades foram tensionadas sequencialmente (não simultaneamente) para permitir monitoramento e ajustes.

Monitoramento de Força Durante a Tensionamento

Cada cabo é equipado com uma célula de carga (tipo extensômetro de fio vibrante) na ancoragem, fornecendo leituras de tensão em tempo real durante a sequência de tensionamento. Além disso, o cordão superior é equipado com extensômetros em 8 locais por unidade, monitorando a redistribuição de tensões. Os dados de monitoramento são comparados ao modelo de análise estrutural em tempo real, e qualquer desvio superior a 10% aciona uma pausa para investigação. Durante o tensionamento real, o desvio máximo em relação às forças previstas foi de 6%, bem dentro da tolerância de 10%.

3. Carga de Vento em uma Estrutura com Vão de 229 Metros

A área do telhado do galpão de carvão é aproximadamente 40.000 m² (229 m × 175 m). Esta enorme área de superfície apresenta um desafio significativo de carga de vento. A estrutura está localizada em Ningxia, uma região interior com uma pressão básica de vento de 0,45 kN/m² (Período de retorno de 50 anos, conforme GB 50009).

Cálculo de Carga de Vento

A pressão do vento no telhado depende do fator de forma do telhado (Cp), que varia conforme a posição. Para um telhado curvo (arco) com uma razão de elevação para vão de 1/6, os coeficientes de pressão do vento segundo a GB 50009 são:

• Quadrante de barlavento: Cp = −0,2 (elevação, moderada)
• Coroa (topo): Cp = −0,8 (elevação, alta)
• Quadrante de sotavento: Cp = −0,5 (elevação, moderada)
• Parede de barlavento: Cp = 0,6 (pressão)
• Parede de sotavento: Cp = -0,3 (sucção)

A força de elevação total no telhado sob vento de projeto (0,45 kN/m² pressão básica, com fatores de altura e terreno aumentando isso para 0,68 kN/m² na altura do beiral de 45 m):

F_elevar = 0,68 × (−0,8) × 40.000 m² = −21.760 kN (elevação)

Esta força de elevação de 21.760 kN deve ser resistida pelo peso próprio da estrutura e pela ancoragem da fundação. O peso próprio da estrutura do telhado (1.800 toneladas) fornece 17.640 kN de resistência à gravidade. Os 4.120 kN restantes de elevação devem ser resistidos pelos ancoradouros da fundação — que também devem resistir à força horizontal de cabo de 850 kN por suporte. As cargas verticais e horizontais combinadas tornam o projeto da fundação um componente crítico do projeto.

Testes em Túnel de Vento

Para uma estrutura dessa escala e importância, complementamos o cálculo da carga de vento baseado no código com testes em túnel de vento no túnel de vento de camada limite da Universidade de Tongji. Um modelo em escala 1:200 foi testado tanto na direção do vento quanto na direção perpendicular ao vento, com pontos de medição de pressão em 120 locais na superfície do telhado. Os resultados do túnel de vento confirmaram os coeficientes baseados no código dentro de 10%, com duas exceções notáveis:

• Zonas de canto: O túnel de vento mostrou coeficientes de levantamento localizados de −1,2 nos cantos do telhado (vs valor do código de −0,8), devido à formação de vórtices. Reforçamos as conexões dos cantos e aumentamos a carga permanente (lastro de concreto) nesses locais.
• Resposta ao vento lateral: A direção do vento cruzado (perpendicular ao vão de 229 m) apresentou uma resposta dinâmica devido ao desprendimento de vórtices, com uma frequência ressonante de 0,8 Hz. A frequência natural da estrutura é de 1,2 Hz, o que é suficientemente diferente da frequência de desprendimento de vórtices para evitar o bloqueio por ressonância, mas adicionamos amortecedores de massa sintonizada (TMD) na coroa para mitigar qualquer amplificação ressonante.

4. Ancoragem da Fundação para Forças de Cabos

A estrutura viga-corda transfere duas forças para cada fundação: uma carga vertical (1.800 kN para baixo sob carga permanente e variável, ou 520 kN para cima sob levantamento do vento) e uma carga horizontal (850 kN para fora devido à tensão do cabo). A força horizontal é o desafio de projeto determinante para a fundação.

Seleção do Tipo de Fundação

O local está em solo aluvial com uma capacidade de suporte de 180 kPa (areia argilosa média-densa com cascalho). Três opções de fundação foram avaliadas:

• Fundações rasas em forma de plataforma: Resistido pelo atrito do solo na parte inferior da prancha. A área da prancha necessária para resistir a uma força horizontal de 850 kN (com um coeficiente de atrito do solo de 0,35) é 850 / (0,35 × 180) = 13,5 m² — realizável, mas o caso de levantamento (520 kN) exige que o peso da laje de fundação exceda 520 kN, necessitando de 53 m³ de concreto. A laje teria 6 m × 3 m × 3 m de profundidade — grande, mas viável.³ de concreto. A laje seria de 6 m × 3 m × 3 m de profundidade — grande, mas viável.
• Estacas cravadas: Estacas inclinadas (com inclinação de 15°) podem resistir a cargas tanto verticais quanto horizontais. 4 estacas Ø600 mm por apoio, com capacidade vertical de 1.200 kN e capacidade horizontal de 350 kN cada, fornecem uma capacidade horizontal total de 1.400 kN — 65% acima da demanda de 850 kN. Esta foi a opção selecionada porque as estacas também resistem ao caso de levantamento por atrito de pele (200 kN por estaca).: Estacas inclinadas (com inclinação de 15°) podem resistir tanto a cargas verticais quanto horizontais. 4 estacas Ø600 mm por apoio, com capacidade vertical de 1.200 kN e capacidade horizontal de 350 kN cada, fornecem uma capacidade horizontal total de 1.400 kN — 65% acima da demanda de 850 kN. Esta foi a opção selecionada porque as estacas também resistem ao caso de levantamento por atrito lateral (200 kN por estaca).
• Âncoras em rocha: Não viável, pois o local possui solo aluvial com rocha a 25 m de profundidade.: Não viável porque o local possui solo aluvial com rocha mãe a 25 m de profundidade.

Conexão Estaca-Estrutura: A cabeça de estaca é um bloco de concreto armado (3,5 m × 3,5 m × 1,5 m de profundidade) que transfere a força de tração do cabo para as estacas inclinadas através de um sistema de tirantes em concreto armado. A ancoragem do cabo é um bloco de âncora de aço fundido embutido na cabeça de estaca, projetado para transferir 850 kN de tração para o concreto através de aderência e apoio. O bloco de âncora é projetado conforme GB 50010 (código estrutural de concreto) com comprimento de ancoragem mínimo de 1,2 m para as barras de ancoragem do cabo (Ø75 mm, aço 40Cr).

A sapata de estaca é um bloco de concreto armado (3,5 m × 3,5 m × 1,5 m de profundidade) que transfere a força de tração do cabo para as estacas inclinadas através de um sistema de tirante e nó em concreto armado. A ancoragem do cabo é um bloco de ancoragem em aço fundido embutido na sapata de estaca, projetado para transferir 850 kN de tração para o concreto por meio de aderência e apoio. O bloco de ancoragem é projetado de acordo com a GB 50010 (código estrutural de concreto) com um comprimento mínimo de desenvolvimento de 1,2 m para as barras de ancoragem do cabo (Ø75 mm, aço 40Cr).

5. Método de Construção: Montagem no Solo e Elevação Sincronizada

O método de construção do galpão de carvão foi determinado por duas restrições: o vão de 229 m (grande demais para montagem por guindaste em altura) e a exigência de pré-tensionamento (os cabos devem ser tensionados a partir do solo antes que a estrutura seja elevada à posição final).

Passo 1: Montagem do solo

As 7 unidades de feixe-corda foram montadas ao nível do solo em uma área de armazenamento adjacente ao local do galpão de carvão. Cada unidade foi montada em suportes temporários (torres de andaime) que posicionavam o cordão superior a 1,5 m acima do nível do solo — suficiente para que os trabalhadores tivessem acesso à parte inferior para a instalação de parafusos e passagem dos cabos. As unidades foram montadas em sequência, com a montagem de cada unidade levando de 8 a 10 dias (equipe de 4 pessoas por unidade, utilizando conexões parafusadas para os elementos da treliça e blocos de ancoragem de cabos).

Passo 2: Instalação do Cabo e Tensionamento Inicial

Cabos foram passados através das conexões das torres e ancorados em ambas as extremidades. As etapas 1-3 da sequência de pré-tensionamento (10%, 30%, 60%) foram concluídas ao nível do solo, com a estrutura ainda apoiada em torres de andaime. Isso permitiu a verificação da distribuição de forças e da geometria antes da elevação — uma etapa crítica de gerenciamento de risco, porque qualquer problema encontrado após a elevação seria extremamente difícil e caro de corrigir a 45 m de altura.

Passo 3: Elevação Sincronizada

O elevador usava um sistema de elevação hidráulica sincronizado com 4 pontos de içamento por unidade (nos pontos de um quarto do vão de 229 m). Cada macaco tinha capacidade de 2.500 kN e era controlado por computador para manter a sincronização dentro de ±5 mm de deslocamento vertical em todos os pontos. A carga total de içamento por unidade era de aproximadamente 6.800 kN (o peso da estrutura de aço mais os cabos parcialmente tensionados).

A taxa de elevação foi de 0,5 m por hora — deliberadamente lenta para permitir o monitoramento contínuo da distribuição de forças, tensão do cabo e geometria estrutural. A cada incremento de 5 m, a elevação era pausada para uma inspeção completa e verificação das forças. A elevação total do nível do solo até a posição final (altura do beiral de 18 m, altura da cúpula de 45 m) levou aproximadamente 50 horas por unidade.

Passo 4: Conexão às Fundações e Tensionamento Final

Uma vez que a unidade estava na elevação final, as conexões finais foram parafusadas aos blocos de ancoragem da sapata. As etapas 4 e 5 do pré-tensionamento (85% e 100%) foram então concluídas com a estrutura em sua posição final. As torres de escoramento temporárias foram removidas após a Etapa 5, e a estrutura ficou autoportante.

Passo 5: Instalação de Revestimento e Cumeeiras

Terças e revestimentos foram instalados após a estrutura ser autoportante e a tensão dos cabos estar concluída. A carga permanente das terças e do revestimento (aproximadamente 0,25 kN/m²) foi aplicado simetricamente para evitar carregamento desequilibrado no sistema viga-corda.

6. Análise Estrutural e Verificação

A análise estrutural da estrutura viga-cabo de 229 m foi realizada usando análise de elementos finitos (FEA) não linear com não linearidade geométrica (efeitos P-Δ e flecha dos cabos). O modelo de análise incluiu:

• 1.847 elementos de viga para os membros da treliça do cordão superior, com modelos de material elástico-plástico para aço Q355B.
• 35 elementos de cabo (5 por unidade × 7 unidades) com comportamento apenas à tração e uma pré-tensão inicial de 850 kN.
• 140 elementos treliçados para os montantes verticais, com comportamento apenas à compressão.
• Condições de contorno não lineares nas fundações, modelando a rigidez das estacas tanto na direção vertical quanto horizontal.

A análise verificou:

• Resistência: A tensão máxima nos membros sob todas as combinações de carga (morta, viva, vento, neve, temperatura) é de 285 MPa — 81% da resistência ao escoamento do Q355B (355 MPa), com um fator de segurança de 1,25.
• Estabilidade: A carga crítica elástica do cordão superior é 2,8 vezes a carga de projeto, excedendo o mínimo do GB 50017 de 2,0 para estruturas primárias.
• Serviço: A deflexão máxima sob carga total permanente e variável é de 573 mm (L/400), bem dentro do limite da GB 50017 de L/250 (916 mm) para estruturas de telhado.
• Fadiga do cabo: A faixa de tensão no cabo sob carregamento pelo vento é de 45 MPa, o que está abaixo do limite de fadiga de 70 MPa para cabos de aço de alta resistência (conforme GB/T 18306), proporcionando uma vida útil superior a 2 milhões de ciclos.

7. Por Que Este Projeto Importa

O galpão de carvão de 229 m não é apenas um recorde. Ele demonstra três princípios de engenharia que se aplicam a qualquer projeto de estrutura de aço de grande vão:

Primeiro, a escolha do sistema estrutural deve ser guiada pelo vão, não pela preferência. Fabricamos mais grades espaciais do que qualquer outro tipo de estrutura (mais de 3.000.000 m² por ano), mas não usamos uma grade espacial para este projeto porque não era a estrutura certa para este vão. O sistema viga-corda economizou 1.600 toneladas de aço e produziu uma estrutura mais rígida e eficiente. A estrutura certa para o seu projeto depende do seu vão, carga e local — não do que seu fabricante prefere construir.

Em segundo lugar, o pré-tensionamento é uma disciplina de engenharia, não uma tarefa de construção. A sequência de tensionamento em 5 etapas, com monitoramento de força em tempo real e verificação geométrica, levou de 2 a 3 dias por unidade e exigiu uma equipe de engenharia dedicada no local. Pular ou acelerar esse processo comprometeria a distribuição de força da estrutura e potencialmente causaria falhas.

Terceiro, o alcance extremo requer verificação extrema. Testes em túnel de vento, FEA não linear, monitoramento de extensométrica e sistemas de elevação sincronizados não são luxos — são o rigor da engenharia que torna possível e confiável um vão de 229 m. O custo dessa verificação é aproximadamente de 3 a 5% do custo total do projeto; o custo de uma falha em 229 m de vão é imensurável.

Para saber mais sobre nosso sistema estrutural de vigas e fios, visite nosso sistema Página do produto de estruturas de cordas de viga. Para os detalhes completos do projeto, veja o Página do projeto do galpão de carvão de Ningxia. Para saber sobre estruturas de grade espacial para vãos onde são a escolha certa, visite nosso página do produto da grade esférica parafusada.

Conclusão

O galpão de carvão com vigas de 229 m representa a interseção entre inovação estrutural, capacidade de fabricação e disciplina da construção. Não é o vão mais longo que já construímos (nosso portfólio inclui pontes e projetos de infraestrutura em vãos maiores), mas é a estrutura de telhado de vão livre mais longa, e os desafios de engenharia que apresentou — pré-tensionamento, carga de vento, ancoragem de fundação, elevação sincronizada — são aplicáveis a qualquer projeto de estrutura de aço de grande vão.

Se seu projeto exige uma estrutura de aço de grande vão — seja um galpão de carvão, uma arena esportiva, um hangar de aeronaves ou uma instalação industrial — a escolha do sistema estrutural é a primeira e mais importante decisão. Podemos projetar grades espaciais para vãos de até 120 m, sistemas de vigas para vãos de 60 a 250 m, e sistemas híbridos que combinam as vantagens de ambos. Entre em contato com nossa equipe de engenharia Com seus requisitos de vão, carga e local, e recomendaremos o sistema mais adequado para o seu projeto — não o sistema que preferimos construir.