Aula sobre Barragens: Forças, Tipos e Dimensionamento Estrutural

Disciplina Obras Hidráulicas Aula Barragem Forças atuantes em barragens Tipos de barragens Dimensionamento estrutural de barragens UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ Departamento de Tecnologia DTC Engenharia Civil Professora DSc Mariana de O Pereira mopereira2uembr Umuarama PR 2022 Finalidade das barragens 1 INTRODUÇÃO Construções que têm por objetivo restringir um curso de rio com a finalidade de Elevar o nível de água para que seja possível derivála por um conduto eou Criar um reservatório que permita prover água nos períodos de escassez ou controlar as cheias durante os períodos chuvosos 2 Um pouco de história 1 INTRODUÇÃO Em 1880 o Imperador D Pedro II preocupado com a questão das secas que atingiam severamente o Nordeste brasileiro nomeou uma comissão para recomendar uma solução para o problema Entre as recomendações estava a ideia de construir barragens para suprimento de água e irrigação no Polígono das Secas que contempla nove estados brasileiros atualmente localizados nas regiões Nordeste e Sudeste e uma área superior a 950000 km² 3 httpswwwgovbrdnocsptbrassuntosnoticiasnossashistorias Um pouco de história 1 INTRODUÇÃO Esse fato que marcou o início do planejamento de grandes barragens no país teve como um marco a conclusão da barragem de Cedros no Ceará em 1906 4 Algumas barragens no Brasil 1 INTRODUÇÃO Barragem de Itaipu inaugurada em maio de 1984 a barragem possui 196 m de altura que faz dela a mais alta do país 5 Algumas barragens no Brasil 1 INTRODUÇÃO Barragem de Xingó instalada no rio São Francisco e inaugurada em 1994 o principal da região nordestina Tem barragem de enrocamento com face de concreto a montante com cerca de 140 m de altura máxima 6 Algumas barragens no Brasil 1 INTRODUÇÃO Barragem de Foz do Areia situada no Pará foi a primeira usina instalada em Iguaçu O projeto envolve enrocamento compactado e impermeabilização por face de concreto Possui 160 m de altura 7 Algumas barragens no Brasil 1 INTRODUÇÃO Barragem de Foz do Areia situada no Pará foi a primeira usina instalada em Iguaçu O projeto envolve enrocamento compactado e impermeabilização por face de concreto Possui 160 m de altura 8 Algumas barragens no Brasil 1 INTRODUÇÃO Barragem Emborcação inaugurada em 1983 sobre o rio Paranaíba encontrase na divisa dos Estados de Goiás e Minas Gerais A barragem tem altura de 158 m 9 Algumas barragens no Brasil 1 INTRODUÇÃO Barragem Serra da Mesa a barragem da usina Serra da Mesa está situada no curso principal do rio Tocantins em Goiás O projeto foi elaborado usando enrocamento com núcleo de argila e tem altura de 154 m 10 Critério de escolha da estrutura adotada em cada altura e comprimentos necessários para o barramento 2 BARRAGEM 11 Estudos hidrológicos Processo iterativo pelo critério de menor custo global Condições geológicas Disponibilidade de equipamentos e materiais na região da obra Processo construtivo Entre outros Classificação de barragens 2 BARRAGEM É função dos materiais utilizados e da forma da estrutura Os tipos mais comumente empregados são as barragens de concreto de terra e de enrocamento além da associação entre diferentes materiais As barragens de concreto são divididas entre à gravidade de arco podendo ser de arcos múltiplos de contrafortes de gravidade aliviada e de arcogravidade 12 Classificação de barragens 2 BARRAGEM a Barragem de concreto à gravidade Consiste em estruturas de concreto sólidas que mantêm sua estabilidade contra cargas de projeto devido à sua forma geométrica à sua massa e à resistência do concreto Por ser uma estrutura monolítica é dimensionada a fim de atender à segurança global da estrutura contra deslizamento tombamento e flutuação assim como aos critérios de máximas tensões admissíveis tanto na estrutura como no maciço de fundação 13 Classificação de barragens 2 BARRAGEM a Barragem de concreto à gravidade Os concretos aplicados às estruturas são definidos em função da resistência do projeto e respectiva idade de referência No caso de concretos sujeitos à ação do fluxo de água em velocidade também são especificados valores máximos para relação águacimento e dimensão máxima característica do agregado 14 Classificação de barragens 2 BARRAGEM a Barragem de concreto à gravidade Os dois métodos construtivos mais comuns são o concreto convencional e o concreto compactado a rolo 15 Concreto convencional Concreto massa volume de concreto com grandes dimensões Geração de calor a partir da hidratação do cimento Variação de volume Necessidade de minimizar a geração de fissuras na estrutura Classificação de barragens 2 BARRAGEM 16 Concreto convencional medidas de controle de fissuras Construção da barragem em blocos monolíticos individuais largura de 15 m separados por juntas de contração transversais Adição de material pozolânico Redução do consumo de cimento ao mínimo compatível com as exigências de projeto Uso de cimentos de baixo calor de hidratação Classificação de barragens 2 BARRAGEM 17 Concreto convencional medidas de controle de fissuras Prérefrigeração do concreto através da utilização de água gelada ou gelo em escama substituição total ou parcial da água de amassamento e refrigeração dos agregados Pósrefrigeração do concreto por meio de serpentinas embutidas onde se circula água refrigerada ou em temperatura ambiente Classificação de barragens 2 BARRAGEM a Barragem de concreto à gravidade Os dois métodos construtivos mais comuns são o concreto convencional e o concreto compactado a rolo 18 Concreto compactado com rolo O concreto deve secar o suficiente para que o rolo vibratório não afunde enquanto necessita ser suficientemente úmido de modo a permitir a distribuição adequada da argamassa durante as operações de mistura e de compactação vibratória Classificação de barragens 2 BARRAGEM 19 Concreto compactado com rolo A sequência típica de execução de obras usando concreto compactado com rolo após sua dosagem inclui mistura transporte lançamento espalhamento e compactação A recomendação média é que o lançamento ocorra em 15 minutos após o início da mistura que o espalhamento ocorra em 15 minutos após o lançamento e por fim que a compactação ocorra em 15 minutos após o espalhamento Classificação de barragens 2 BARRAGEM 20 b Barragem de concreto à arco Apresentam curvatura em planta de modo a transferir parte da pressão dágua ao arco Possibilita a grande redução no volume de concreto utilizado Classificação de barragens 2 BARRAGEM 21 b Barragem de concreto à arco Vales em V exigem que as encostas do vale sejam capazes de resistir às tensões elevadas Cuidados especiais com a fundação Arco constante ou variável raios decrescentes do topo ao pé Classificação de barragens 2 BARRAGEM 22 c Barragem de concreto contraforte Implantação de placas de concreto inclinadas constituindo o paramento de montante da barragem transmite a pressão hidrostática a uma série de contrafortes perpendiculares ao eixo da barragem Classificação de barragens 2 BARRAGEM 23 c Barragem de concreto contraforte Volume inferior de concreto em relação à barragem de gravidade entretanto alto custo de formas e armadura 2 BARRAGEM 24 d Barragem de concreto de gravidade aliviada Variante da barragem de gravidade onde se procura otimizar a utilização do concreto Paramento de montante inclinado componente vertical da pressão hidrostática para equilíbrio Cavidades junto à fundação para reduzir o volume de concreto e reduzir a subpressão Redução da espessura dos blocos 2 BARRAGEM 25 d Barragem de concreto de gravidade aliviada Classificação de barragens Ações atuantes 21 AÇÕES ATUANTES EM BARRAGEM Principais ações de projeto atuantes nas estruturas civis de um aproveitamento hidráulico ações permanentes e acidentais 26 Ações atuantes 21 AÇÕES ATUANTES EM BARRAGEM 27 Ações atuantes 21 AÇÕES ATUANTES EM BARRAGEM 28 httpswwwyoutubecomwatchvcrK0CidsIo Cargas permanentes 21 AÇÕES ATUANTES EM BARRAGEM 29 São aquelas que ocorrem com valores constantes ou de pequena variação em torno de sua média durante a vida útil das estruturas As cargas permanentes deverão ser avaliadas de acordo com as características próprias dos materiais utilizados Cargas permanentes 21 AÇÕES ATUANTES EM BARRAGEM 30 É a principal carga permanente atuante em uma barragem Outras cargas permanentes relevantes são os elementos construtivos fixos e demais instalações permanentes O peso próprio da estrutura é função do peso específico do concreto utilizado bem como de suas dimensões a Peso próprio Cargas permanentes 21 AÇÕES ATUANTES EM BARRAGEM 31 A multiplicação do peso específico do material e do volume da estrutura resulta em uma carga que para fins de cálculo é aplicada no centro de gravidade da barragem a Peso próprio Cargas permanentes 21 AÇÕES ATUANTES EM BARRAGEM 32 a Peso próprio Cargas permanentes 21 AÇÕES ATUANTES EM BARRAGEM 33 a Peso próprio Cargas permanentes 21 AÇÕES ATUANTES EM BARRAGEM 34 É constituída pelo peso de todos os elementos construtivos fixos e demais instalações permanentes São aquelas que podem agir sobre as estruturas em função de sua utilização eou construção b Cargas diversas U S Army Corps of Engineers 1995 aterros sobrepostos e aparelhos fixos como comportas e pontes Cargas acidentais 21 AÇÕES ATUANTES EM BARRAGEM 35 a Sobrecargas As condições de carregamento transitório de construção eou de montagem de equipamentos eletromecânicos deverão ser levadas em consideração nos cálculos das peças estruturais Cargas acidentais 21 AÇÕES ATUANTES EM BARRAGEM 36 a Sobrecargas Cargas acidentais 21 AÇÕES ATUANTES EM BARRAGEM 37 a Sobrecargas Deverá ser verificada a necessidade de acrescentar sobrecargas adicionais concentradas provenientes de equipamentos mais pesados não cobertos pela sobrecarga distribuída Na área ocupada por um equipamento pesado não haverá superposição com a carga distribuída devendose estudar qual o caso mais desfavorável Cargas acidentais 21 AÇÕES ATUANTES EM BARRAGEM 38 a Equipamentos Hidromecânicos Cargas acidentais 21 AÇÕES ATUANTES EM BARRAGEM 39 a Equipamentos Hidromecânicos Cargas acidentais 21 AÇÕES ATUANTES EM BARRAGEM 40 b Equipamentos Auxiliares Cargas acidentais 21 AÇÕES ATUANTES EM BARRAGEM 41 b Equipamentos Auxiliares Cargas acidentais 21 AÇÕES ATUANTES EM BARRAGEM 42 c Equipamentos Elétricos Pressões hidrostáticas 21 AÇÕES ATUANTES EM BARRAGEM 43 Variam linearmente com a profundidade a partir da superfície da água São representadas através de diagramas triangulares ou trapezoidais de acordo com os níveis dágua especificados nas condições de carregamento 21 ACOES ATUANTES EM BARRAGEM L Pressdes hidrostaticas 1 A forca resultante para fins de verificacao de estabilidade aplicada a uma altura de um terco da altura total forca distribuida an Abs Figura 23 Representacao das pressoes hidrostaticas atuantes sobre uma estrutura 44 Pressões hidrostáticas 21 AÇÕES ATUANTES EM BARRAGEM 45 As cargas hidrostáticas devem ser consideradas como atuando também nas áreas de aberturas devem ser consideradas fechadas tomadas dágua entradas dágua etc 21 ACOES ATUANTES EM BARRAGEM L Pressoes hidrodinamicas Y Sao decorrentes de variacdes de velocidade em intensidade e direcao de correntes hidricas como em curvas reducoes etc a Pressdes Hidrodinamicas devidas a Esforcos Hidraulicos L Pressdes Hidrodinamicas devidas ao Escoamento Superficial Y Cargas dinamicas escoamento superficial tais como em crista de vertedouros bacias de dissipacao etc Y Determinadas por meio de ensaios em modelo reduzido e consideradas no dimensionamento estrutural 46 21 ACOES ATUANTES EM BARRAGEM a Pressdes Hidrodinamicas devidas a Esforcos Hidraulicos Ll Pressdes Hidrodinamicas devidas ao Escoamento Superficial VY Em curvas transigOes convergentes ou divergentes secoes contraidas e em outras disposigOes construtivas que ocasionem uma mudanca na velocidade ou na direcao do escoamento devem ser considerados os efeitos de cargas hidrodinamicas 47 2 BARRAGEM 48 Barragem de terra Barragens de aterro Seção homogênea zoneada mista Barragem de enrocamento Núcleo de terra e barragens com membrana impermeável 2 BARRAGEM 49 Elementos constituintes das barragens de aterro Crista ou coroamento Talude de montante Talude de jusante Base de assentamento ou fundação Linha de infiltração 2 BARRAGEM 50 Barragens de Aterro Apropriadas para locais com topografia suavemente ondulada Áreas de empréstimo de materiais argilososarenosos suficientes para a construção do maciço compactado 2 BARRAGEM 51 Barragens de Aterro São as barragens de aterro mais comumente utilizadas Adotase materiais naturais argila areia e silte com um mínimo de processamento prévio Podem assumir altura de até 100 m Barragens de terra 2 BARRAGEM 52 Barragens de Aterro a Barragem homogênea Constituída por um único material Permeabilidade suficientemente reduzida após compactação Inclinações de talude diferentes para atenderem ao princípio da estabilidade Barragens de terra Barragem homogênea Barragem homogênea modificada Barragem do tipo zoneada ou mista 2 BARRAGEM 53 Barragens de Aterro b Barragem homogênea modificada Constituída por um único material Baixa permeabilidade sendo empregada uma pequena percentagem de material permeável na construção de drenos Permite taludes mais inclinados do que no caso da adoção de um perfil homogêneo 2 BARRAGEM 54 Barragens de Aterro c Barragem do tipo zoneada ou mista Materiais mais permeáveis são lançados nas partes externas da seção transversal da barragem Materiais menos permeáveis são lançados na parte central eou na parte de montante 2 BARRAGEM 55 Barragens de Aterro O aterro é feito cm fragmentos de rocha ou cascalho compactado em camadas Deve possuir uma zona impermeável formada por solos e filtros de material granular Apresenta mais de 50 de material permeável compactado Barragens de Enrocamento 2 BARRAGEM 56 Barragens de Aterro As mais comuns são de núcleo interno de argila Existem algumas com faze de concreto Recentemente núcleo de asfalto usinas Foz do Chapecó e Jirau A estabilidade da obra é resultante do seu peso e da imbricação das partículas dos diferentes materiais que constituem a barragem Barragens de Enrocamento 2 BARRAGEM 57 Barragens de Aterro Barragens de Enrocamento 2 BARRAGEM 58 Barragens de Aterro Barragens de Enrocamento 2 BARRAGEM 59 Barragens de Aterro Barragens de Enrocamento 2 BARRAGEM 60 Barragem de terra e enrocamento Barragens de Aterro 2 BARRAGEM 61 Barragem de terra Classificação de barragens 2 BARRAGEM 62 Barragem de terra Classificação de barragens