Unidade de Geração de Energia Shanxi Zhongdian Shentou

A província de Shanxi é o coração do carvão da China, e o complexo de geração de energia de Shentou é um de seus locais estabelecidos de geração térmica. Este projeto envolve o pátio de armazenamento de carvão que atende as unidades de geração de energia atrás de um único vão livre de 220 metros — ao finalizar, a estrutura de treliça pré-esforçada de maior vão da província — entregue pela Permanent Steel como um pacote completo de engenharia, fabricação e montagem.

A estrutura pertence à mesma família de engenharia que nossa treliça de viga-corda de 229 m, recorde mundial em Ningxia, mas deliberadamente não é a mesma estrutura. Ningxia cruza um vão maior com um arco curvo pré-esforçado; este projeto cruza 220 m com uma treliça pré-tensionada de perfil mais raso. A diferença é um estudo de caso de como uma equipe competente de projeto escolhe entre sistemas estruturais para funções quase idênticas — impulsionada pela geometria do local, condições da fundação, ambiente de ereção, carga climática e envolvente operacional do cliente, não pela lealdade à marca a uma única tecnologia.

Este estudo de caso examina detalhadamente o sistema de treliça protendida — o que é, como a protensão altera o estado de forças, por que um perfil mais achatado foi apropriado aqui, como o vão de 220 m foi construído e verificado, e como ele se compara com os sistemas alternativos que poderiam ter sido escolhidos.

Uma treliça planar convencional atravessando 220 m enfrenta a mesma parede que impede arcos passivos: seu próprio peso domina o projeto, a deflexão no meio do vão se torna um problema de serviço governante e os cordões de compressão no meio do vão são enormes. A treliça protendida remove a parede alterando o estado de carga em vez da geometria.

Como funciona uma treliça protendida

Neste sistema, a região do cordão inferior da treliça é aumentada por um cabo ou sistema de cordas de alta resistência tensionado — seja correndo dentro do perfil de profundidade da treliça ou ao longo da linha do cordão inferior — com os cordões e membros da treliça organizados para trabalhar com a pré-tensão. O cabo é tensionado após a treliça ser erguida (e em incrementos escalonados), induzindo:

• Uma força para cima contrabalançando a carga permanente: ocabo tensionado atua sobre a treliça através de seus pontos de conexão, criando um componente distribuído para cima que subtrai da flexão causada pelo peso próprio exatamente na região do meio do vão, onde a flexão é maior.
• Um estado interno de forças controlado: ao escolher o nível de protensão, o projetista ajusta onde aparecem tensão e compressão nos membros do cordão, convertendo o que seria um caso de compressão esmagadora no meio do vão em uma envolvente equilibrada e analisável.
• Recuperação da deflexão e controle do arqueamento: O efeito líquido é que a treliça construída, após a pré-tensão e sob carga permanente, mantém um perfil nivelado ou sutilmente camberado — o estado de serviço que os sistemas de revestimento e drenagem necessitam ao longo de um vão de 220 m.

Por que pré-tensão em vez de força bruta

A alternativa — uma treliça passiva dimensionada para suportar a carga permanente completa mais a carga viva em flexão simples — não é apenas mais pesada; é limitada pelo transporte. Elementos de corda além de certo tamanho de seção tornam-se impossíveis de enviar, manusear e erguer sem logística especial, e o custo de fabricação aumenta de forma superlinear com a espessura da placa e o volume de soldagem. A pré-tensão recupera o orçamento: o aço utilizado é mantido dentro de tamanhos de elementos enviáveis, fabricáveis e de qualidade convencional, e a capacidade “faltante” é fornecida pelo cabo tensionado — um material cujo razão resistência-peso é uma ordem de magnitude melhor do que o aço estrutural em tensão. Cada tonelada de aço evitada na treliça é também uma tonelada de fundação, uma tonelada de transporte e uma tonelada de peso de montagem evitada.

O vão extremo concentra todos os problemas estruturais clássicos em uma única estrutura. O envelope de projeto neste projeto teve que contemplar cada um deles:

• Não linearidade geométrica: A 220 m, as deflexões são grandes o suficiente para que a geometria deformada da estrutura — e não sua geometria conforme construída — governe as forças de segunda ordem. Toda a análise foi realizada na configuração deformada, com a pré-tensão incluída na referência de rigidez, de modo que o estado "projetado" corresponde ao estado que a estrutura tensionada realmente ocupa em serviço.
• Carregamento assimétrico de pilhas de carvão: O galpão abriga uma pilha que nunca é simétrica. Os depósitos de preenchimento parcial — carvão alto de um lado, limpo do outro — produzem gradientes de momento e reações de suporte muito além do caso de carga uniforme, e toda geometria intermediária de preenchimento foi envolvida no projeto. Este é o estojo de carga que separa galpões projetados de livros dos galpões projetados por operações.
• Vento e temperatura no clima de Shanxi: ventos sazonais fortes em uma superfície de telhado de 220 m produzem elevação simétrica e assimétrica significativa; variações de temperatura entre o inverno e o verão e diferenciais entre o dia e a noite foram envolvidos, com disposições de movimento nos suportes para que a ação térmica não trave tensões internas nas cordas da treliça.
• Estabilidade com imperfeição: Cordas de compressão na escala de 220 m são críticas para estabilidade; a estabilidade global e dos membros foi verificada contra envelopes de imperfeição de código apropriados para essa classe estrutural, e a geometria da seção transversal foi ajustada de acordo.
• Interação entre cabos e estrutura: O próprio sag, elongamento, relaxamento e resposta térmica do sistema de pré-tensão foram modelados como parte da estrutura, não como um acessório acoplado — porque nessa escala o cabo é estrutural e sua invisibilidade em serviço é conquistada por sua presença no modelo.

A base da análise seguiu códigos chineses (GB 50017 para projeto de aço, GB 50009 para ações, GB 50011 para sísmico, com as disposições de longo vão) aplicados por meio de modelos tridimensionais completos — a mesma plataforma e disciplina usadas na estrutura de 229 m do Ningxia e em todas as grades de longo vão deste portfólio.

O número mais consequente em uma estrutura pré-esforçada é a magnitude da própria força de pré-tensão. Se a colocar muito baixa e o sistema se degrada para uma treliça pesada comum; se a colocar muito alta, a força para cima do cabo empurra a coroa para um overcamber, inverte as forças do elemento de maneiras que as cordas não foram proporcionadas e eleva a ancoragem e o suporte desnecessariamente tensões. O valor correto não é um número, mas uma janela, e o trabalho de engenharia está definindo essa janela honestamente.

A lógica de dimensionamento deste projeto foi a seguinte. Primeiro, a carga morta do sistema de treliça e seus invólucros foi estabelecida com precisão de grau de engenharia — em um vão de 220 m, um erro de 5% no peso assumido do revestimento é uma carga constante e não analisada aplicada a cada elemento por cinquenta anos. Segundo, a força de pré-tensão foi variada parametricamente ao longo do espaço de projeto, e para cada nível a equipe examinou os envelopes de força de corda resultantes, a recuperação de afundamento no meio do vão, as reações de suporte e a margem de escoamento do cabo em cada combinação de serviço. Terceiro, a janela dentro da qual todos os critérios de aceitação são atendidos — deflexão dentro do código, utilização de elementos dentro dos envelopes de projeto, tensão do cabo dentro da faixa segura sob a pior combinação de vento e neve — foi definida, e a meta de pré-tensão de construção foi definida no ponto médio, com limites superiores e inferiores de aceitação levando em conta tolerância ao levantamento, relaxamento e efeitos de temperatura.

O envelope de verificação seguia dessa janela. No local, todas as etapas da sequência de tensão tinham que pousar simultaneamente dentro do corredor de força e alongamento; após o término do programa, a tensão do cabo era confirmada por medição de frequência e o perfil da treliça por levantamento. Se um valor medido tivesse derivado para fora do corredor, o procedimento de correção — reestressar, re-medir, re-medir — já estava documentado, pois a 220 m não há "próximo o suficiente": todo o estado interno de força da estrutura é o produto dos números escolhidos, executados e comprovados.

Este projeto completa um portfólio que ultrapassa o limite dos 200 m com dois sistemas diferentes e um irmão de envergadura média excepcionalmente longo:

• Viga-arco de treliça de corda recorde mundial de 229 m em Ningxia — o sistema de companheiro de perfil curvo.
• Huizhou Port 118 m × 1.000 m pátio de carvão — a linhagem de grade cilíndrica da concha para vãos médios e comprimentos extremos.
• Estruturas de grade espacial — a família de tecnologia de grade e conjunto.
• Cobertura e envelope metálico — fechando o envelope de longo vão.
• Serviços de engenharia e montagem EPC — o modelo de entrega por trás de ambos os projetos de discos.