Estudo do efeito da inclinação das ombreiras na estabilidade de barragens via modelos numéricos tridimensionais

Abstract

Resumo: A demanda por energia, água e outros serviços vêm aumentando continuamente para sustentar o desenvolvimento econômico e melhorar as condições de vida das pessoas. As barragens são vitais para que a população tenha acesso aos insumos básicos fundamentais, entretanto são estruturas que apresentam um risco potencial elevado, motivo pelo qual os regulamentos de segurança, além das recomendações de projeto, prescrevem atividades de acompanhamento e observação, por instrumentação, inspeção visual ou ensaios específicos. Por sua importância e pelo aumento ainda significativo da população mundial, é necessário que continuem os estudos dos materiais e novas técnicas de construção para empreendimentos hidráulicos em busca da solução mais sustentável possível. Dentre as várias soluções possíveis de barragem, as barragens de concreto à gravidade foram muito utilizadas no passado, e com o advento a técnica construtiva do Concreto Compactado com Rolo tornaram-se atrativas nas últimas duas décadas. Geralmente, os critérios usuais de projeto de barragens de concreto à gravidade indicam que uma solução analítica, considerando um modelo bidimensional, com distribuição linear de tensões na base, é suficiente para análise da segurança da estrutura. Como consequência desse processo simplificado, como barragens são estruturas tridimensionais, verifica-se que os protótipos em operação apresentam comportamentos muito diferentes daqueles assumidos nas análises simplificadas 2D, com peculiaridades que acabam sendo negligenciadas. Grosseiramente, as análises como corpo rígido pelo processo de equilíbrio limite desprezam as tensões tangenciais geradas pela declividade das ombreiras, além da óbvia diferença de distribuição de tensões. Sabendo da complexidade de um projeto civil de uma barragem, por ser um projeto multidisciplinar, envolvendo diversas áreas de conhecimento, e das inúmeras simplificações que são feitas no dimensionamento, a avaliação de barragens via Método dos Elementos Finitos através de modelos tridimensionais é uma ferramenta interessante que permite análises mais completas, e uma análise crítica dos critérios de projeto. O objetivo do presente trabalho é avaliar os Critérios de Projetos e de Estabilidade nas ombreiras de Barragens de Concreto à Gravidade, avaliando os efeitos dos parâmetros da interface entre concreto e rocha, evidenciando a necessidade de investigações adequadas da fundação e do concreto. Foram utilizados modelos tridimensionais no programa SAP 2000, para uma barragem com altura de 50 metros, parametrizando os estudos em função da declividade da ombreira e dos parâmetros físicos do concreto e da rocha da fundação. Após a apresentação dos conceitos, apresenta-se uma análise de sensibilidade da estabilidade global variando as características dos materiais, baseadas em valores reais utilizados em barragens de concreto disponíveis na literatura; e variações nos ângulos médios das ombreiras de 0º, 10º, 20º e 30º. Os resultados foram validades através da comparação com os critérios preconizados pelo Manual de Viabilidade da Eletrobrás, 2003, e com modelos de elementos finitos bidimensionais com a mesma geometria. Mostra-se claramente a importância da avaliação adequado dos parâmetros de fundação. Também se evidencia a influência da inclinação das ombreiras nos cálculos, onde o aumento da inclinação degrada significativamente os parâmetros de segurança ao deslizamento, com necessidade de presença de coesão significativa nos modelos mais inclinados. Durante os estudos, verifica-se que as tensões de tração obtidas no modelo com inclinação de 30º são superiores aos limites recomendados. Também foi feita uma análise dos deslocamentos da estrutura, que são significativamente inferiores a alguns processos de execução de juntas, e no caso estudado a hipótese de haver contato entre os blocos mostra ser inadequada.

Abstract: The human needs for water and energy are continuously growing in order to permit the economic growth and to improve life quality. Dams are necessary to furnish the basic water resources, but their structures need and special safety analysis because failure could lead to a catastrophic situation. Consequently, several dam regulations indicate the necessity of continuous dams safety monitoring and instrumentation. In order to attend the water resources necessities, it is very important to study new techniques and solutions, using sustainability approaches. Usually, the global stability analysis used in dam design considers very simple 2D models, considering stress linear distribution in the dam horizontal base. Obviously, this approach do not represents the actual dam behavior, mainly in the abutments. In order to improve the solution, the Finite Element Method (FEM) could be a useful tool to analyze and study dams. This dissertation purpose is to evaluate the frequently used gravity dams design criteria throughout FEM analysis, in order to verify abutm ent blocks safety. The study proposed a sensitivity analysis varying rock and concrete mechanical parameters, and the dam rock interface envelopes.