COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS
XXVII SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS
BELÉM – PA, 03 A 07 DE JUNHO DE 2007
T100 – A28
Rita de Cássia SILVA
Pesquisadora/Drª – Projeto METAHIDRO UnB/ELETRONORTE.
Débora de Melo Pinto CAVALCANTE
Bolsista de IC – Projeto METAHIDRO UnB/ELETRONORTE.
Lineu José PEDROSO
Professor – Universidade de Brasília.
Antonival Lima ALBUQUERQUE
Engº Civil –ELETRONORTE.
RESUMO
O presente trabalho tem o objetivo de analisar estaticamente o comportamento de uma barragem de concreto gravidade que é submetida ao galgamento. Mostra-se a importância do estudo a partir de alguns exemplos de acidentes que tal fenômeno pode ocasionar. Para se visualizar melhor como o maciço se comporta, faz-se um estudo do campo de tensões na base de uma barragem real submetida ao galgamento, de modo a se comparar valores calculados e valores obtidos pelo programa CADAM. Além disso, o estudo também propõe a verificação dos principais coeficientes de segurança nos casos analisados e sua relação com os carregamentos propostos para análise.
ABSTRACT
This paper intends to analyze statically the behavior of the concrete gravity dam when under loads due to an overtopping. It explains the importance of studying this theme when showing some accidents evolving the phenomenon. So as to visualize how is the behavior of the dam, a study of the field of stress on the base of the solid is done in one profile with similar dimensions of one recognized dam; this procedure objectives to compare the calculated values with those generated from the program CADAM when a simulation of overtopping is added to the others loadings. After that, the study proposes a verification of the safety coefficients and the relationship of these and the additional load of overtopping.
1. NTRODUÇÃO
A degradação ambiental e o alto crescimento demográfico colaboram para o aumento dos desastres associados à água, visto que esse é um bem de consumo essencial à vida humana. A primeira causa, por exemplo, vem do alto crescimento de indústrias que colaboram para a poluição atmosférica a partir da emissão de gases tóxicos, os quais destroem a camada de ozônio e aumentam o efeito estufa. A conjugação desses acontecimentos sucessivos proporciona aumento da temperatura global e conseqüente aumento de precipitações, muitas vezes desastrosas quando concentradas numa mesma região. O alto crescimento demográfico remete ao aumento da utilização da água para as necessidades básicas e conseqüentemente, a formação de reservatórios torna-se cada vez mais importante no uso cotidiano. A formação de reservatórios de água requer algo que possa barrar o curso de algum rio para aumentar o nível de água, independente da utilização da mesma. Tal construção é conhecida como barragem e deve ser projetada para suportar carregamentos de variados tipos e intensidades, considerando-se, principalmente as situações de precipitações extremas que podem ocasionar alagamentos a jusante. No presente trabalho, que representa a continuação de estudos anteriores [1], ressalta-se a importância do estudo do galgamento a partir da sua definição e da sua relação com a segurança de barragens. Para ressaltar a importância do fenômeno em nosso meio, destacam-se alguns acidentes ocorridos em barragens brasileiras. Uma análise mais aprofundada sobre o assunto é obtida a partir da análise de tensões num perfil típico de barragem gravidade de concreto, quando este se sujeita ao galgamento de uma lâmina de água através de sua crista; para tanto, serão feitas simulações no programa CADAM utilizando-se uma lâmina de galgamento proporcional a que ocasionou a ruptura da barragem de Arneiroz II em 2004.
2. DEFINIÇÃO DE GALGAMENTO
Uma barragem é uma estrutura construída transversalmente a um rio ou um talvegue com a finalidade de obter a elevação do seu nível de água e/ou de criar um reservatório de acumulação de água. A cota superior da barragem define o seu coroamento, e não se considera qualquer abaulamento, meio-fio, parapeitos, defensas ou outras estruturas que não sejam parte da estrutura principal do barramento de água [2]. O galgamento, ou overtopping, pode ser definido como o fluxo de água através do topo ou coroamento de uma barragem [11]. Em geral, tal fenômeno se deve à ocorrência de chuvas intensas que elevam o nível de água acima do topo ou do coroamento e pode gerar a ruptura da estrutura ou não de uma barragem. A ruptura de uma barragem pode ser definida como a perda da integridade estrutural, podendo ocorrer uma liberação incontrolável do conteúdo de água de um reservatório, ocasionada pelo colapso da estrutura ou parte dela.
A ocorrência de enchentes encontra-se geralmente associada a duas causas básicas: aos fatores climáticos (intensidade e duração das precipitações que ocorrem na área das bacias) e aos fatores fisiográficos (área, formato, declividades, tipo do solo, cobertura vegetal etc.), que determinam o maior ou menor grau com que são sentidos os efeitos de uma precipitação nas bacias hidrográficas. Outro fator determinante para a manifestação de enchentes é o desmatamento e a ocupação desordenada das áreas de várzeas, com conseqüente assoreamento do leito dos cursos d’água. Esse tipo de degradação é relativamente comum no território das bacias metropolitanas e contribui para agravar a incidência de enchentes [3,12].
3. O GALGAMENTO RELACIONADO À SEGURANÇA DE BARRAGENS
A segurança de uma barragem é definida como a capacidade da mesma para satisfazer as exigências de comportamento necessárias para evitar incidentes e acidentes que reflitam nos aspectos estruturais, econômicos, ambientais e sociais.
Um acidente é um evento correspondente à ruptura parcial ou total da obra e/ou sua completa desfuncionalidade, com graves conseqüências econômicas e sociais. Por outro lado, um incidente é um evento físico indesejável que prejudica a funcionalidade e/ou a inteireza da obra, podendo vir a gerar eventuais acidentes caso não seja corrigido a tempo [2]. O risco de acidentes destas estruturas está associado quase sempre a catástrofes. Além da possibilidade da perda de vidas humanas, a ruptura de uma obra hídrica resulta em destruição de patrimônio, danos ao meio ambiente e interrupção de serviços públicos [3]. Todas as barragens devem ser classificadas quanto às conseqüências de uma ruptura ou dano em potencial, em que devem ser considerados, entre outros, os
seguintes fatores: aspectos sociais, ambientais, estruturais e econômicos. A diferenciação entre as categorias de conseqüências e o relacionamento com os requisitos de segurança é sugerida, para refletir os valores e prioridades da sociedade na alocação e distribuição de recursos e fundos a serem utilizados na proteção e salvamento de vidas, e para a salvaguarda. As conseqüências incrementais da ruptura de uma barragem devem ser avaliadas em termos de:
- Perda de vidas;
- Valor econômico de outras perdas e/ou danos à propriedade, instalações, outras barragens, bem como a perda na geração de energia e fornecimento de água. Onde apropriado, outros custos de impactos, social e ambiental, devem ser considerados;
- Outras conseqüências menos quantificáveis relacionadas a impactos sociais, e ambientais, que não possam exigir condições baseadas no local específico da ocorrência.
Devido a estas conseqüências, as barragens devem ser submetidas periodicamente a uma reavaliação de suas condições de segurança, segundo sua classificação quanto às conseqüências de ruptura. Uma barragem segura é aquela cujo desempenho satisfaça às exigências de comportamento necessárias para evitar acidentes e incidentes que se referem a aspectos estruturais, econômicos, ambientais e sociais. Ela deve ter estabilidade adequada para suportar com segurança os carregamentos extremos a ela aplicados, bem como as cargas normais do projeto. A seleção do critério de segurança para carregamentos extremos deve-se basear na conseqüência da ruptura da barragem.
4. O GALGAMENTO COMO CAUSA DE VÁRIOS ACIDENTES COM BARRAGENS
Os anos de 2003 e de 2004 trouxeram à tona para o grande público o problema do abandono das barragens brasileiras. Estima-se que nesse período mais de 400 barragens, de diversos tamanhos e tipos, tenham rompido em todo o Brasil, muitas delas pela incapacidade de suportar os eventos de cheia ocorridos no período. A Figura 1 ilustra o evento meteorológico atípico iniciado no fim o ano de 2003, perdurando até fevereiro de 2004 e que terminou por se dissipar no mês de março. A escala de cores mais escuras representa, conforme sua intensidade, chuvas acima da média esperada para o mês [3].
A maioria dos acidentes com barragens se deve à cheias inesperadas, as quais geram transbordamentos do reservatório e danos muitas vezes incalculáveis. Dentre os acidentes, podem-se destacar os seguintes casos: Barragem de Arneiroz II (CE, 2004) [2]; Açude de Orós (CE, 1960); Açude do Arroz (PB, 1978); Açude Gurguri (CE, 1996); Açude Mangueiras (CE, 1997); Barragem de resíduos de Cataguases (MG, 2003) [4].
5. CONSIDERAÇÕES SOBRE OS CARREGAMENTOS E O PERFIL A SER ANALISADO
Os seguintes casos de carregamentos serão considerados no estudo de estabilidade e respectivos cálculos do campo de tensões da barragem.
5.1 CASO DE CARREGAMENTO NORMAL (CCN)
Corresponde a todas as combinações de ações que apresentam grande probabilidade de ocorrência ao longo da vida útil da estrutura, durante a operação ou manutenção normal da obra, em condições hidrológicas normais [2]. As condições relevantes a serem consideradas no presente estudo são as ações causadas pelo peso próprio, pressões hidrostáticas com NA do reservatório no nível máximo normal e subpressão.
5.2 CASO DE CARREGAMENTO EXCEPCIONAL (CCE)
Corresponde a quaisquer ações de cargas de ocorrência eventual de baixa probabilidade ao longo da vida útil da estrutura [2]. Considera-se neste estudo, a mesma relação de carregamentos considerados no CCN; entretanto, para condições de operação com as seguintes modificações: reservatório no NA máximo maximorum, NA a jusante correspondente à vazão zero, subpressão com drenos inoperantes e quaisquer esforços excepcionais sobre a estrutura, no presente trabalho, o galgamento.
5.3 PERFIL DE ANÁLISE
Tomando como base um perfil teórico de barragem com dimensões similares ao de um dos blocos de transição da Barragem de concreto de Itumbiara-GO, têm-se as dimensões simplificadas na Figura 3, onde a altura máxima da barragem é de 75,43m e o nível de água máximo é 72,43m.
5.3.1 Estudo de Casos com a Combinação Usual das Solicitações sem a Subpressão na Fundação
Neste estudo, por simplificação, será considerada a eficiência máxima da drenagem na fundação da barragem, de forma que não haja força de subpressão na mesma; a lâmina d’água que galgará a barragem será calculada com base naquela do acidente experimentado pela barragem de Arneiroz II (CE, 2004) considerando-se uma proporção de alturas.
Caso 1: Peso próprio (PP), força hidrostática (PHu) a montante com NA máximo e NA a jusante igual a zero, peso da água a montante (Phu);
Caso 2: Peso próprio (PP), força hidrostática a montante (PHu) com NA máximo e NA a jusante igual a zero, peso hidrostático a montante (Phu), galgamento (Vf) de 1,17% da altura da barragem (lâmina de 88 cm);
Caso 3: Peso próprio (PP), força hidrostática a montante (PHu) com NA máximo e NA a jusante igual a zero, peso hidrostático à montante (Phu), galgamento (Vf) de 1,5% do nível de água máximo da barragem (lâmina de 109 cm); Abaixo seguem figuras esquemáticas representando os casos citados.
5.3.2 Estudo de Casos com a Combinação Usual de Solicitação Incluída a Subpressão na Fundação
Caso 4: Peso próprio (PP), força hidrostática (PHu) a montante com NA máximo e NA à jusante igual a zero, peso hidrostático a montante (Phu), Força de Subpressão (U);
Caso 5: Peso próprio (PP), força hidrostática à montante (PHu) com NA máximo e NA a jusante igual a zero, peso hidrostático à montante (Phu), galgamento (Vf) de 1,17% da altura da barragem (lâmina de 88 cm), Força de Subpressão (U);
Caso 6: Peso próprio (PP), força hidrostática a montante (PHu) com NA máximo e NA à jusante igual a zero, peso hidrostático à montante (Phu), galgamento (Vf) de 1,5% do nível de água máximo da barragem (lâmina de 109 cm), força de subpressão (U);
Para os seis casos citados acima, serão calculadas as tensões normais e de cisalhamento no plano yz bem como as tensões principais para todos os casos; para verificação de possíveis erros, serão comparados os valores calculados com os valores fornecidos pelo CADAM. Além disso, serão calculados os coeficientes de segurança ao deslizamento (CSD), à flutuação (CSF) e ao tombamento (CST).
Para o caso particular do galgamento, o fenômeno é simplificado ao se considerar apenas o adicional de carga hidrostática e uma carga vertical trapezoidal na crista da barragem (modelo do programa CADAM) que representa uma simplificação do problema. Tal simplificação é devida à complexidade do modelo interação escoamento-estrutura.
6. CONCLUSÕES
Tendo como base os crescentes acidentes envolvendo barragens submetidas ao galgamento, observa-se a necessidade da avaliação do comportamento do maciço que é exposto a este tipo de carregamento excepcional. Embora as barragens de concreto sejam projetadas para suportarem diversos carregamentos, inclusive um carregamento como o galgamento, a possibilidade da ocorrência de precipitações mais intensas que o esperado é real e já se verifica em alguns casos. As conseqüências geradas por uma ocorrência desse tipo têm relevância social, econômica e ambiental; por esses motivos, o estudo apresenta uma contribuição inicial para um desenvolvimento mais apurado no que diz respeito à análise do comportamento da estrutura em relação às possibilidades de ocorrência de precipitações intensas.
O início do estudo possibilitou o conhecimento do uso do CADAM como ferramenta auxiliar na análise de tensões em barragens de concreto gravidade sujeitas ao galgamento. Para possibilitar o desenvolvimento mais aprofundado, fizeram-se vários testes no programa e verificou-se o melhor procedimento que se deve adotar para utilizá-lo de maneira eficiente. Foram estudados seis casos, os quais foram divididos em dois grupos: os casos 1, 2 e 3 que desconsideram a subpressão e os casos 4, 5 e 6 que consideram a subpressão. Nos dois grupos, submeteu-se cada modelo aos mesmos carregamentos: peso próprio da barragem, pressão hidrostática a montante, peso hidrostático a montante e galgamento. Com estas divisões, foi possível analisar a interferência do galgamento no corpo do maciço ao se comparar com outro maciço submetido aos mesmos carregamentos. Além disso, verificou-se a influência da subpressão nas situações extremas: sem subpressão quando se imagina a não percolação da água pela rocha de fundação, ou com subpressão quando os drenos encontram-se inoperantes. Para todos estes casos, fez-se a análise de tensões normais ao plano horizontal e vertical e das tensões de cisalhamento no plano analisado; calcularam-se as tensões principais a montante e a jusante e os coeficientes de segurança ao deslizamento e ao tombamento.
Na análise de tensões normais z σ ao plano horizontal (base), verificou-se que as mesmas apresentavam maior compressão a jusante em todos os casos. A presença do galgamento diminui a tensão normal de compressão a montante e provoca aumento da mesma a jusante. Quanto à influência da subpressão, verificou-se que a mesma também provoca diminuição da tensão normal de compressão a montante; entretanto, não influencia na tensão normal a jusante.
As tensões z σ referidas acima foram obtidas a partir da análise de tensões proposta no CADAM. A partir dos valores de resultantes de esforços obtidos do mesmo programa, foi possível calcular a variação das tensões normais ao plano vertical y σ que varia em função de uma equação de 3º grau ao longo do plano analisado (base). Observou-se que, igualmente às tensões z σ , as tensões y σ contribuem para o aumento da tensão normal de tração a montante quando a barragem está submetida ao galgamento e sem a ação da subpressão. Por outro lado, a presença de galgamento quando há atuação de subpressão na barragem, contribui para aumentar a tensão de compressão ao plano vertical; portanto, pode-se inferir que a subpressão é responsável pelo aumento da compressão ao plano vertical de montante e pela não variação da tensão y σ a jusante.
Na análise das tensões de cisalhamento no plano yz, observou-se que a curva que expressa a variação dessa tensão na base tem formato parabólico, como era de se esperar. As tensões zy τ apresentam valor insignificante a montante devido a pouca inclinação do paramento neste local. Como as tensões de cisalhamento a montante e a jusante dependem diretamente das tensões normais verticais nestes locais, nota-se que zy τ é maior a jusante em todos os casos analisados, seguindo a mesma linha de raciocínio do caso das tensões normais ao plano da base ( z σ ).
O cálculo das tensões principais proporciona uma comparação entre as tensões admissíveis do concreto (à tração e à compressão). Neste âmbito, verificou-se que as tensões principais máxima de jusante foram inferiores a resistência de compressão característica do concreto adotado no modelo de perfil adotado. Quanto às tensões principais máximas de tração à montante, verificou-se que os dois casos mais críticos apresentaram valores inferiores à resistência característica de tração.
Um outro parâmetro de análise utilizado foram os coeficientes de segurança. O coeficiente de segurança ao deslizamento foi acima do requerido para os casos analisados e foram satisfatórios quando comparados ao CSD residual, o qual fornece maior margem de segurança. Os coeficientes de segurança ao tombamento CST, analisados para cada caso, foram satisfatórios quando comparados aos valores requeridos. O coeficiente de flutuação não foi calculado visto que há pouca utilização do mesmo para comparação.
7. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à ELETRONORTE, ao CNPq e à FINATEC pelos recursos materiais (equipamentos) e financeiros (bolsas) colocados à disposição desta pesquisa.
8. PALAVRAS-CHAVE
Análise de tensões, método gravidade, galgamento, barragens de concreto, coeficientes de segurança.
9. BIBLIOGRAFIA
[1] CAVALCANTE, D. M. P & SILVA, R. C. “Estudo do comportamento estático e dinâmico dos fluidos”. Relatório interno (GDFE): RTIC-DMPC1-08/2006-julho/agosto.
[2] “Manual de Segurança e Inspeção de Barragens” – Brasília: Ministério da Integração Nacional, 2002. 148p.
[3] MENESCAL, R. A; MIRANDA, A. N.; PITOMBEIRA, E.S.; PERINI, D.S. “Prevenção de acidentes envolvendo barragens: Projeto de diagnóstico da segurança de barragens no Brasil (2005)”. In Anais XVI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, João Pessoa – PB.
[4] Relatório Técnico – “Construção da Barragem Arneiroz II – Ocorrências durante o período chuvoso (2004)”. Ministério da Integração Nacional – Secretaria de Infra-estrutura Hídrica.
[5] ÁVILA, J. P; BICUDO, R. I; PIERRE, L. F. “Main Brazilian dams: design, construction, and perfomance”. 1 ed. São Paulo: Editora Técnica LTDA, 1982. 653p.
[6] TIMOSHENKO, S.P. & GERE, J. E. “Mecânica dos Sólidos I”. 1ed. Rio de Janeiro: LTC editora, 1984. 450p.
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[9] PEDROSO, L. J. “Barragens de concreto: Aspectos Gerais e Fundamentos do Cálculo de Tensões e da Estabilidade baseado no Método de Gravidade”. Apostila do Curso de Barragens de Concreto - Semana da Engenharia Civil, 2002.
[10] SILVA, R. C. “Considerações mecânicas relativas às juntas de subpressão e análise preliminar de alguns critérios de falha de barragens”. Relatório interno (GDFE): RTP-RCS6-11/2005 [11] http://www.hydro.mb.ca/our_facilities/build_gen_station/glossary.html#o
[12] http://www.panda.org/about_wwf/what_we_do/climate_changes/problemsweat er_chaos/index [13] NRC – National Research Council – “Earthquake Engineering for Concrete Dams: Design, Performance and Research Needs” (1990). National Academy Press, Washington, D.C.
[14] Tinawi, R. et al. Canadian Electricity Association. “Structural Safety of Existing Concrete Dams: Influence of Construction Joints” (1998). Review of Literature and Background Material.
fonte:anais do XXVII SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS
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