Investigação numérica dos efeitos dos parâmetros do solo na capacidade de carga de tração axial de novas estacas helicoidais circulares fotovoltaicas

Suportes solares mais resistentes ao vento

À medida que usinas solares se espalham por campos e desertos, suas estruturas metálicas precisam resistir a ventos fortes que tentam arrancá‑las do solo. Engenheiros têm começado a usar um novo tipo de fundação de aço em espiral, chamada estaca helicoidal circular, para ancorar suportes fotovoltaicos, mas como diferentes tipos de solo ajudam ou atrapalham essas estacas permaneceu incerto. Este estudo usa simulações por computador para desvendar como propriedades-chave do terreno controlam a resistência à tração dessas estacas especiais, oferecendo orientação para instalações solares mais seguras e confiáveis no mundo todo.

Um novo tipo de fundação em espiral

Estacas helicoidais tradicionais parecem um eixo de aço com uma ou mais chapas planas, algo parecido com um parafuso gigante. A estaca helicoidal circular substitui placas discretas por uma superfície espiral contínua envolvida ao redor do eixo. Essa forma pode ser enrolada com diferentes apertos e instalada por rotação, por prensagem, ou por uma combinação de ambos. Projetos de campo no Japão, China e Coreia do Sul demonstraram que estacas helicoidais circulares podem suportar cargas de compressão e de tração muito maiores do que estacas retas simples. Ainda assim, a maior parte das pesquisas anteriores foi feita em tanques laboratoriais de areia, deixando questões em aberto sobre como solos reais com argila, coesão e rigidez variável afetam seu desempenho.

Testes virtuais em solo realista

Para explorar essas questões, os autores construíram um modelo computacional tridimensional detalhado de uma única estaca helicoidal circular rodeada por solo. Eles usaram software industrial para representar a estaca de aço como um material elástico e o terreno como um modelo geotécnico comum que inclui resistência e deformação. A estaca simulada foi instalada e então puxada para cima em estágios, espelhando ensaios em escala real realizados em cinza vulcânica e argila marinha. Quando a equipe comparou as curvas calculadas de carga versus deslocamento com sete conjuntos de medições em campo, o ajuste foi próximo, dando confiança de que a estaca virtual se comportou como a real.

Como a estaca mobiliza sua resistência

Tanto os testes quanto as simulações mostraram que a resistência à tração não atinge um pico repentino e depois cai. Em vez disso, a força necessária para continuar puxando a estaca aumenta de forma suave conforme a cabeça se movimenta para cima, com o incremento desacelerando gradualmente. Não há um ponto de ruptura nítido. Para o dimensionamento, isso significa que a capacidade última não pode ser lida a partir de um único valor máximo; deve ser definida usando níveis de deslocamento acordados ou ajuste de curva. O estudo examinou várias escolhas práticas e constatou que, quando a estaca atinge seu estado último, o deslocamento ascendente na cabeça é cerca de um décimo do diâmetro da estaca. A carga nesse deslocamento corresponde de perto ao valor dado por um método amplamente usado de interseção de curvas, de modo que tomar a força em um décimo do diâmetro como capacidade última de tração é um atalho razoável.

Quais propriedades do solo importam mais

Já com o modelo validado, os pesquisadores variaram sistematicamente propriedades-chave do solo dentro de faixas realistas para locais de usinas solares. Eles modificaram a rigidez do solo, quanto ele se contrai lateralmente quando comprimido, sua resistência adesiva interna, sua resistência por atrito e a rugosidade do contato entre estaca e solo. Para cada caso, puxaram a estaca até vários níveis de deslocamento e registraram a força resistente. Em todos os cenários, solo mais resistente ou mais rígido sempre aumentou a capacidade de tração. No entanto, nem todas as propriedades foram igualmente importantes. Usando vários métodos complementares de sensibilidade, incluindo mudanças simples de um fator, planos de ensaio estruturados e medidas estatísticas de similaridade, encontraram de forma consistente que a coesão do solo foi o controle dominante, seguida pela rigidez e pelo ângulo de atrito. A propriedade de contração lateral e o atrito direto na interface estaca‑solo tiveram influência muito menor.

Orientações para fundações solares mais seguras

Em termos simples, este trabalho mostra que estacas helicoidais circulares prendem o solo com mais firmeza quando o próprio terreno é bem coeso e razoavelmente rígido, e que sua resistência última é alcançada após um movimento de tração modesto, mas não insignificante. Para engenheiros projetando suportes fotovoltaicos, os resultados destacam quais ensaios do solo são mais importantes e sugerem um deslocamento prático que pode substituir uma definição de ruptura mais complexa. Ao priorizar primeiro a coesão, depois rigidez e atrito, e tratar outros parâmetros como secundários, os projetistas podem gerenciar melhor a incerteza nas condições do solo e fazer uso mais eficiente desse tipo promissor de estaca na expansão da energia solar.

Citação: Wang, K., Zhang, R., Yasufuku, N. et al. Numerical investigation of soil parameter effects on the axial uplift bearing capacity of novel photovoltaic circular helicoid piles. Sci Rep 16, 15641 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46197-3

Palavras-chave: estaca helicoidal circular, capacidade de carga em tração, fundações fotovoltaicas, sensibilidade aos parâmetros do solo, análise por elementos finitos