Análise da resposta sísmica da estrutura de torre de poço de mina de carvão considerando o efeito PSSI em diferentes sítios

Por que torres subterrâneas e terremotos importam

Minas de carvão profundas dependem de altas torres de concreto na superfície para içar pessoas e carvão de grandes profundidades. Essas torres assentam sobre fundações que se estendem em solo e rocha estratificados. Quando um terremoto ocorre, a vibração não move apenas a torre; ela também desloca as estacas e o terreno ao redor, e esses três componentes influenciam-se mutuamente. Este estudo coloca uma questão prática com grandes implicações de segurança e custo: o quanto essa interação oculta entre solo, estacas e torre altera a resposta sísmica de uma torre de poço, e isso torna as normas de projeto atuais excessivamente arriscadas em alguns lugares e conservadoras em outros?

Como a torre, as estacas e o solo se movem em conjunto

Os autores focam numa torre moderna e alta de poço de mina de carvão de cerca de 90 metros, apoiada por uma fundação tipo piled raft rigidamente conectada a um poço de concreto vertical. Em vez de assumir que a base é perfeitamente fixa, eles tratam a torre, as estacas, a laje, o poço e o solo estratificado como um único sistema acoplado. Utilizando modelos físicos bem estabelecidos, simplificam esse conjunto complexo em um arranjo de molas, massas e amortecedores que podem reproduzir como cada parte flexiona, bascula e desliza quando é sacudida. Em seguida, derivam equações de movimento que ligam o deslocamento nos pavimentos da torre ao movimento da fundação enterrada e do solo circundante, e resolvem numericamente essas equações com código MATLAB personalizado.

Testando terremotos realistas e tipos de solo

Para observar como esse comportamento acoplado se manifesta na prática, a equipe usa uma mina real em Anhui, China, como estudo de caso. Selecionam 21 registros sísmicos — tanto tremores naturais fortes quanto eventos cuidadosamente simulados — e os aplicam horizontalmente na base. Examinam três condições de solo típicas usadas nos códigos sísmicos chineses: um sítio relativamente rígido “Tipo II”, um sítio intermediário “Tipo III” e um sítio mais macio “Tipo IV”, cada um representado por múltiplas camadas de solo com rigidez e densidade variadas. Para comparação, executam cada movimento do solo duas vezes: uma com a interação completa solo–estaca–torre e outra usando o atalho comum que trata a fundação como perfeitamente rígida.

O que acontece com o balanço andar a andar

A grande variável acompanhada é o deslocamento entre pavimentos — o movimento lateral relativo entre andares adjacentes — que está intimamente ligado às solicitações por flexão em paredes, vigas e pilares. Os autores definem um “coeficiente de amplificação” como a razão entre esse deslocamento entre pavimentos no sistema real interagente e no ideal de fundação rígida. Valores acima de um significam que a interação aumenta as solicitações; valores abaixo de um indicam que ela as reduz. Em todos os três tipos de solo, a maior amplificação aparece consistentemente no topo da torre, onde um efeito de chicote concentra o movimento, enquanto os pavimentos intermediários se movimentam de forma menos dramática.

Solos diferentes, margens de segurança diferentes

Os resultados mostram que ignorar a interação solo–estaca–estrutura pode ser perigoso em alguns contextos e dispendioso em outros. Em terreno rígido Tipo II, os coeficientes médios de amplificação para deslocamento entre pavimentos situam-se entre cerca de 1,31 e 1,61, o que significa que a torre real pode experimentar deriva 30–60% maior, e portanto solicitações internas mais elevadas, do que previsto por um projeto com base rígida. Para o solo Tipo III, as médias ficam mais próximas da unidade, aproximadamente 0,89 a 1,25, com amplificação principalmente nos andares superiores. No solo mais macio Tipo IV, as médias caem para cerca de 0,74 a 0,97, de modo que a interação geralmente reduz as derivações em comparação com a hipótese de base rígida. Fisicamente, o sistema acoplado solo–estaca–torre tem um período de vibração mais longo do que a torre rígida isolada, o que pode deslocá-lo para fora da faixa de frequência mais danosa do movimento do solo e reduzir a demanda sísmica.

O que isso significa para a segurança e o projeto de minas

Para os engenheiros em atuação, a mensagem é dupla. Em regiões de solo rígido e zonas sísmicas fortes, projetar uma torre de poço como se estivesse sobre uma base inflexível pode subestimar as forças reais do terremoto, especialmente nas lajes superiores, deixando estruturas existentes com riscos de segurança ocultos. Em solos mais moles, a mesma simplificação pode superestimar as forças e levar a projetos desnecessariamente pesados e caros. O estudo fornece um arcabouço prático para incluir a interação solo–estaca–estrutura na análise de torres de poço e destaca quais combinações de tipo de solo, altura da torre e período de vibração afetam mais fortemente a resposta sísmica. Embora os números exatos variem de torre para torre, o padrão geral — que os andares superiores são os mais vulneráveis e que sítios mais macios podem às vezes ajudar em vez de prejudicar — oferece uma base mais clara e nuançada para projetar e reformar torres de poço de minas de carvão em regiões sujeitas a terremotos.

Citação: Han, L., Zhao, S., Zhang, Y. et al. Seismic response analysis of coal mine shaft tower structure considering PSSI effect under different sites. Sci Rep 16, 6656 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37617-5

Palavras-chave: torre de poço de mina de carvão, interação solo–estrutura, fundações em mesa de estacas, engenharia sísmica, deslocamento entre pavimentos