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Geraldo Lúcio Thiago Filho - UNIFEI / CERPCHAloísio Caetano Ferreira - UNIFEI

Análise Operacional de uma Comporta Fusível

RESUMOCom a tentativa de execução de um plano de expansão do setor elétrico-energético brasileiro, abriu-se o caminho para aperfeiçoamento edesenvolvimento de novas tecnologias, focadas principalmente em trêsdiretrizes: eficiência, segurança e redução de custos. O presente trabalhobusca realizar uma analise objetiva da utilização das comportas fusíveis,como uma possível alternativa para o mercado brasileiro.ABSTRACTWith the attempt of execution of a plan of expansion of the Brazilianelectric-energy sector, opened up the road for improvement and developmentof new technologies, focalize mainly in three guidelines: efficiency, safetyand reduction of costs. The present work search to accomplish one itanalyzes it objectifies of the use of the fusegates, as a possible alternativefor the Brazilian market.PALAVRAS CHAVEComponentes hidromecânicos, Comportas, Comportas Fusíveis.1. INTRODUÇÃODevido ao episodio famoso conhecido como “apagão” que aconteceu navirada do século, originado da grande depreciação do nível dos reservatóriosdas principais usinas hidrelétricas, o Brasil vive em alerta tentando aprimorar-se, corrigir-se para evitar que tal fato se repita. Para tanto o governojuntamente com especialistas lançou vários programas de expansão do setorelétrico-energético brasileiro.A maioria das formas de geração de energia elétrica é altamente impactantepara o meio ambiente e o desperdício cria a necessidade de novos impactospara atender à demanda. Na Alemanha, por exemplo, especialistas afirmamque só a energia gasta para manter os dispositivos de “stand-by” de televisorese outros eletrodomésticos corresponde à produção de duas usinas nucleares.Além dos impactos ambientais, novos empreendimentos de geração de energiaimplicam em gastos altíssimos custeados por toda a sociedade.Porem ao se analisar as perspectivas de crescimento para o Brasil, torna-seindispensável o investimento imediato na geração de energia, para evitarque a própria sociedade acabe tendo que sofrer um novo tipo de racionamentoou crise energética, isto faz com que se torne imprescindível o aprimoramentoe desenvolvimento de novas tecnologias, visando a priori a busca pela aeficiência , a diminuição dos gastos e não se pode esquecer do fator desegurança pois, com as atuais mudanças climáticas torna-se cada vez maisdifícil se prever um evento extremo como uma onda de cheia.As cheias podem ser induzidas pela ruptura de barragens, associadas ou não afenômenos meteorológicos adversos. As ondas de cheias induzidas por estesacidentes são geralmente de propagação muito rápida e com forte impactono tecido social a jusante e no ambiente. Os aproveitamentos hidráulicos dopaís, construídos para fins hidro-elétricos, hidro-agrícolas, de abastecimentopúblico e mistos ascendem a mais de um milhar. Contudo aqueles que maiorimpacto têm no tecido socioeconômico dos vales a jusante são naturalmenteos de média a grande dimensão, maximizando ainda mais o risco.2. VERTEDORESSegundo SOUZA (1999), vertedor ou descarregador é um dispositivo utilizadopara controlar ou medir a vazão em um escoamento por um canal, no casode uma barragem o vertedor tem o objetivo de escoar o excesso de águaacumulado pelo reservatório evitando assim o risco do nível de água atingira crista da barragem.Basicamente pode-se dizer que é um orifício de grandes proporções no qualfoi suprimida a aresta do topo, por isso a parte superior da veia liquida, se fazem contado com a pressão atmosférica.Os vertedores podem ser classificados de diversas formas, quanto à naturezada parede, quanto à forma geométrica da abertura, quanto à geometria dacrista, quanto à largura relativa da soleira, quanto à altura relativa da soleira,quanto à natureza da lâmina d’água e quanto à inclinação do paramento daestrutura com a vertical.

O vertedor representa no que diz respeito a aspectos construtivos a boaparte da obra civil total, e sua construção em muitas das vezes se torna dedifícil conclusão e apresenta um custo elevado por estar amarrada a aspectosda geografia do local.3. COMPORTASAs comportas hidráulicas utilizadas em barragens são previstas com o objetivode bloquear uma passagem hidráulica, podendo operar normalmente fechadasou normalmente abertas, de acordo com sua função.As comportas que auxiliam a inspeção e a manutenção das estruturas civis,como canal de adução, tubulação de baixa pressão e passagens hidráulicas daCasa de Força, permanecem normalmente abertas, isto é, fora de operação.As comportas de desarenação ou limpeza têm a função de permitir, porocasião de sua abertura, a eliminação de areia ou qualquer outro materialdecantado no fundo do reservatório. Em geral, são comportas de pequenasdimensões, porém sujeitas a pressões consideráveis, por estarem situadaspróximas ao fundo do reservatório.As comportas podem ser construídas utilizando o ferro fundido, o aço e, emalguns casos, a madeira. As comportas de madeira são de construção simples,porém o custo está relacionado à dificuldade crescente em se obter madeirade boa qualidade. As madeiras empregadas na fabricação das comportas devempossuir boa resistência ao tempo e à umidade, a fim de evitar o apodrecimentoprematuro.As comportas de ferro fundido são comportas pesadas, padronizadas poralguns fornecedores, porém de uso limitado. Normalmente, são previstaspara suportar colunas d’água de até 10 metros sobre a soleira; as comportasde aço são de construção leve, baixo custo e de grande durabilidade, necessitamser protegidas por adequada pintura, principalmente na linha d’água onde aagressividade da corrosão é maior.As comportas são guiadas em seu movimento de subida e descida por perfismetálicos, chumbados ao concreto nas extremidades laterais. A vedação, sepossível, deve ser feita com perfis adequados de borracha sintética sobrequadro de aço inoxidável, o que garante um baixo índice de vazamento.Para pequenas comportas, o acionamento poderá ser feito manualmente,por meio de haste de aço com rosca ligada à comporta e movimentada porpinhão ligado a um volante, sendo o conjunto fixado na travessa superior dearmação. É, também, possível a utilização de talha movida a corrente oumesmo talha elétrica, desde que a instalação completa esteja dentro dasdisponibilidades orçamentárias. É importante considerar o fato de que ascomportas são elementos acessórios, não tendo influência direta na produçãoda usina. No entanto, a rapidez na manutenção implica diminuição do tempoocioso ou improdutivo da usina. Assim, durante o projeto, deve ser feita umacomparação entre o investimento inicial necessário e os benefícios obtidosna eletrificação do acionamento das comportas.Existem vários tipos de comportas, que executam os mais diversos tipos defunções, dentre estes vários tipos de comportas se destaca um tiporelativamente novo que foi desenvolvido para resolver problemas queacontecem na construção e manutenção de barragens “modernas”, esse tipoé conhecido como comporta fusível.4. COMPORTA FUSÍVELAs comportas do tipo fusível apresentam como principal característica ofato de como o próprio nome diz funcionar como um “fusível” de proteção,isto é ela executa a função designada pelo projeto, porem sua operação sóacontece uma vez em situações extremas definidas em projeto respeitandouma prerrogativa muito importante quando se fala de barragem que é asegurança.A segurança das barragens é um problema que tem vindo a preocupar, cadavez mais, os técnicos e entidades responsáveis pelo projeto, licenciamento,construçãoe exploração destas infra-estruturas, verificando-se uma consciencializaçãocrescente da existência dum risco potencial para as populações instaladas

Artigo Técnico 11nos vales a jusante.Os prejuízos resultantes de um acidente ou incidente com uma barragem, embora com um risco diminuto, podem ser bastante elevados, havendo a considerarprejuízos diretos e indiretos. Os prejuízos diretos são os de mais fácil avaliação, partindo do pressuposto, um tanto materialista, de que é possível quantificaro custo de vidas humanas. Mas além destes, há que não esquecer os prejuízos indiretos causados pela ruptura do sistema estabelecido, que pode demorar mesesou anos a normalizar.RAMOS (1995) apresenta alguns números sobre vítimas e prejuízos causados por alguns desastres ocorridos nos últimos duzentos anos. A título de exemplo,citam-se os casos das barragens de Baldwin Hills e Teton, nos EUA, em que perdeu a vida um número muito reduzido de pessoas, mas em que se verificaramprejuízos materiais superiores a 10 milhões de reais; e, os casos das barragens de South Fork, EUA, e Vajont, Itália, em que morreram mais de 2 000 pessoas.As comportas do tipo fusível primam pela segurança, porque elas eliminam um dos fatores mais importantes que condicionam os acidentes, elas eliminamo fator humano pois como elas não necessitam de operadores elas obedecem restritamente às condições estipuladas em projeto.As comportas do tipo fusível podem ser utilizadas em muitas funções das quais pode-se destacar as seguintes:- Diminuir custos construtivos relativos a estruturas tipo vertedores ou barragens de irrigação, quando prevê-se em projeto a instalação de comportas dessetipo na crista do vertedor pode-se diminuir a altura do mesmo pois será acrescida a ele a altura da comporta, não alterando assim suas características.- Aumentar os níveis dos reservatórios já implantados, quando se necessita de aumentar a potencia gerada em uma usina hidrelétrica, ou aumentar acapacidade de um reservatório para abastecimento/irrigação, instala-se estas comportas na crista dos vertedores aumentando a altura bruta de água no valorda altura da comporta, aumento que dependendo das características do reservatório pode chegar segundo alguns fabricantes a 15% do volume total de águaacumulada.5. COMPORTA DE ESTUDOExistem vários tipos e marcas de comporta fusível, porem este trabalho tenta fazer uma analise mais detalhada de uma marca/ tipo mais peculiar decomporta fusível, a comporta “HYDROPLUS®”.O conceito da comporta fusível “HYDROPLUS®” é baseado no seguinte processo:- Em situações normais a água escoara por cima da comporta, como indica a figura 1.- Quando acontece um evento estremo como uma cheia, o reservatório interno enche, então a estrutura sofre a ação de duas forças: uma no sentido doescoamento e outra de cima para baixo ocasionada pela pressão da água na câmera de pressão, como indica a figura 2.- Quando o somatório das forças citadas anteriormente fica maior que a força peso que mantem a comporta no lugar, a comporta vai se inclinando até vira tombar, como mostra a figura 3.

Figura 1: 1º A águaé escoada por cimada crista

Figura 2: 2º Oreservatóriointerno acumulaágua

Figura 3: 3º Acomporta fusívelentra em ação

Figura 4:componentes dacomporta fusível

O conceito assegura que:- Descarga de inundações pequena por cima da barreira da comporta- Descarga de inundações grandes pela abertura crescente, conforme o numero de unidades instaladas de acordo com o projeto e em função do peitoril dabarragem.O desenvolvimento de um projeto especifico deve assegurar que:- O intervalo de repetição de uma inundação para uma primeira troca de uma comporta fusível é muito longa (de 20 a 200 anos ou até mais se assim quisero empreendedor), dessa forma os benefícios adquiridos pelo sistema em cima de um longo período de tempo exceda em valor e inconveniência a perda deuma unidade e também sua perda de água- Se acontecer a vazão máxima especificada em projeto , todas as unidades se desarmam rápido, evitando que o reservatório exceda o nível máximo de água.- Para inundações que aconteçam em dois extremos, as unidades se detroem em seqüência, em uma sucessão que é projetada para evitar o aumento súbito davazão de saída.

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Figura 5: Câmara de Pressão

CaracterísticasTipo de empreendimento : geraçãohidrelétricaAltura do vertedor: 20,2 mAltura da comporta: 1,5 mNumero de unidades inst.: 5Capacidade de vazão antiga: 27 m3/sCapacidade de vazão nova: 85 m3/sAumento de vazão: 216%

Figura 7: Balançade Precisão

Figura 9: comportastipo fusível

Figura 8: vertedorretangular (vista dejusante)

Devido a sua flexibilidade o conceito apresentado pode ser utilizado emvárias represas existentes para:- Aumenta a capacidade de armazenamento da represa, recuperando até 80%da vazão anual que extravasaria, sem aumentar o nível Máximo de água.- Aumento da segurança sem sacrificar a capacidade de armazenamento,abaixando a lamina de vertimento.- É possível combinar estes dois benefícios e ainda aumentar o aspecto decontrole de inundação a jusante, reduzindo a vazão de saída significativamentedurante as inundações mais freqüentes.- O conceito ainda pode ser utilizado em novos empreendimentos visando aredução de custos e o aumento da segurança, em particular, a comportafusível do tipo HYDROPLUS® pode ser usado para reduzir o peitoril e aaltura da represa.

As comportas fusíveis tipo HYDROPLUS® são alinhadas lado alado com articulações seladas entre elas. Cada comporta é constituídabasicamente de três partes: um reservatório de água, uma parede de entradade água e uma câmara de pressão, duas das partes podem ser vistas na figura4.

A altura do reservatório de água varia comumente de 1m a 6.5me depende de exigências de projeto, porem geralmente equivalente aaproximadamente 40-80 % da profundidade de máximo de água de inundaçãono peitoril sem contar as comportas tipo fusível no lugar. A estrutura doreservatório de água é sempre feita em aço, e todas as partes em aço sãotratadas contra corrosão.

A câmera de pressão tem de ser muito bem vedada pelos selos,tanto os laterais quanto o de montante para evitar que a água do reservatórioentre na mesma e atrapalhe as forças de pressão que determinaram omomento de tombamento da comporta. A câmera de pressão pode ser vistana figura 5.

Como exemplo de aplicação desse tipo de comporta pode-se citar:- A barragem de ST-HERBOT na França, que apresenta as seguintescaracterísticas:

Com o intuito de testar as características deste tipo em especial de comportafusível, foi realizado ensaios em modelo reduzido, demonstrados a seguir.6. ENSAIOS EM MODELO REDUZIDOOs estudo em modelo reduzido foi realizado no LABORATÓRIOHIDROMECÂNICO PARA PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS(LHPCH), localizado na Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI).Para a realização do estudo foi utilizado o canal de ensaio hidráulico, esse

canal compreende uma série de equipamentos e estruturas, dois quais pode-se citar dois reservatórios, uma bomba e toda uma tubulação em aço ondeestão instalados manômetros de coluna e um medidor de vazão tipo Venturi.Alem das instalações foram utilizados um medidor de vazão ultra-sônico euma balança de precisão (Figuras 6 e 7).

Figura 6: Medidor deVazão Ultra-Sônico

Foi construído para realização dos ensaios um vertedor do tipo retangularcom duas contrações laterais, cujo perfil foi construído em madeira e emchapa de aço galvenizado (figura 8).

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Os dois modelos de comportas do tipo fusível foram fornecidas pela própria empresa.O estudo pode ser dividido em duas partes, em um primeiro momento mediu-se as características de escoamento em três momentos distintos, primeiro semnenhuma comporta instalada no vertedor, depois com apenas uma comporta instalada no vertedor e por ultimo com duas comportas instaladas no vertedor.As características medidas foram a vazão que foi variando gradativamente, a velocidade, a altura de lamina d’água e altura total bruta; e a partir dessa mediçãochegou-se ao seguinte quadro:

Quadro 1: valores medidos em ensaio

Com estes valores em mãos pode-se calcular o coeficiente de vazão “Cd” que devido às características do vertedor e levando em conta as contrações lateraispode ser determinado pela formula de Francis (1905) dada por:

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onde:Cd : coeficiente de vazão. h: altura da lamina de água.P: altura do vertedor (da base até a região aberta).

O resultados dos cálculos forneceu o mesmo coeficiente médio de vazão para os três casos, em torno de 0,62.Na segunda parte do estudo verificou-se o acionamento das comportas, que se dá de acordo com a pressão exercida pelas forças da água no sentido doescoamento e pela pressão provocada pela água que entra na câmera de pressão.

Figura 10: forças exercidas na comporta

Devido a estas características o acionamento das comportas está estritamente ligada ao lastro dasmesmas, este lastro é nada mais que um peso, portanto no experimento tarou-se vários pesos eentão fez-se várias medidas de vazão de tombamento gerando um gráfico (gráfico 1), que correspondea três situações diferentes (Figuras 11, 12 e 13) , a partir deste gráfico determinou-se a equação davazão de tombamento em função do peso para cada situação.

Figura 11: apenas uma comportainstalada e variando os pesos

Figura 12: duas comportasinstaladas e variando os pesos

Figura 13: Duas comportasinstaladas, mas só uma variando ospesos

onde:Q: vazão de tombamento em [m3/s]h: altura de lamina d’água [m]L: dimensão da soleira por onde ocorre escoamento [m]

Portanto quando se instala as comportas ocorre um acréscimo da vazão quepassa por ela para uma mesma altura de lamina, no caso do experimento em

Gráfico 1: Tombamento em função do lastro

De acordo com a variação do lastro e do arranjo, para a primeira situaçãoonde se encontrava apenas uma comporta instalada variando o peso obteve-se a seguinte equação:

Para a segunda situação que se caracteriza pela presença de duas comportasinstaladas onde as duas estão variando pesos iguais, gerou-se a seguinteequação:

Para a terceira situação fixou-se uma das comportas e a outra teve o pesosendo variado, gerando a seguinte equação:

onde:Qt: vazão de tombamento em [l/s]p: peso do lastro da comporta em [g]

7. ANALISES E DISCUSÕESA primeira parte do experimento apresentou como resultado o fato doscoeficientes de vazão serem iguais para as três diferentes situações, isso sedeve pelo fato do coeficiente de vazão ser determinado em função da alturade lamina de água e a altura efetiva do vertedor, quando instala-se ascomportas a altura bruta sobe mais a altura efetiva do vertedor também sobepois tem que ser acrescida a ela a altura das comportas; porem segundoPORTO(2001), ao se levar em conta as contrações laterais do vertedor esubstituir o coeficiente médio encontrado a vazão que passa pelo vertedorpode ser dada por:

questão o L subiu de 0,166 m para 0,360 m , o que significa um aumento demais da metade e que reflete significativamente no resultado das vazões.Este acréscimo na capacidade de vazão para uma mesma lamina pode serentendido como uma grande vantagem no ponto de vista da segurançaquando se pensa em acontecimentos extremos como ondas de cheias oucheias milenares.Na segunda parte do experimento gerou-se as equações da vazão detombamento em função do peso do lastro da comporta, para três possíveissituações de uso das mesmas, a partir dessas equações o empreendedor poderealizar os cálculos da segurança em função do custo da comporta, poisquanto menos peso tiver o lastro maior será a segurança porque ficará maisfácil da comporta tombar abaixando o nível do reservatório, porem comisso terá um custo de recuperação da comporta que tombou além do custorelativo à altura d’água que escoou; por outro lado se o empreendedor optarpor operar com bastante peso no lastro da comporta ficará mais difícil detombar a mesma porem a segurança da barragem pode ficar comprometidaem um caso de cheia extrema podendo danificar a estrutura da barragem ouaté mesmo comprometer de vez suas operações. Outra opção é fazer comque as comportas funcionem em enfeito “dominó” isto é, colocando valoresdiferentes de lastro o empreendedor pode optar para uma segurança medianae um custo operacional relativo menor.8. CONCLUSÕESAo final deste trabalho pode-se concluir que a comporta do tipo fusível dosistema HYDROPLUS® se apresenta como uma boa alternativa tanto naquestão da diminuição de custos construtivos, quanto em aumentar a capacidadede retenção de água de reservatórios. Porem tem-se que tomar muito cuidadona questão da segurança, pois com as atuais mudanças climáticas que o paíse o mundo vem atravessando, torna-se quase que impossível prever eventosextremos. Como no Brasil a maioria das barragens estão localizadas emregiões de relativa importância econômica e com alta densidade populacionalqualquer pequeno acidente pode significar um desastre de grandes proporções.9. BIBLIOGRAFIA- RAMOS, C. M. (1995) - Segurança de Barragens: Aspectos Hidráulicose Operacionais. Informação Técnica de Hidráulica, ITH 38, Lisboa, LNEC,47p.- PORTO, R. M. (2001) – Hidráulica Básica. 2ª edição, EESC-USP,São Carlos , SP, 388p.- VEIGA, J.R.C. (2001) - Oportunidades de Negócio com aRepotenciação de usinas: Aspectos técnicos, Econômicos e Ambientais.Dissertação de Mestrado Apresentada à Universidade de SãoPaulo,São Paulo, SP.- SOUZA, Z.; SANTOS, A. H. M.; BORTONI, E. C. (1999). Centraishidrelétricas: Estudos para implantação. Rio de Janeiro:ELETROBRÁS.- TANIGUCHI, E. R.; OTA, J. J.; FRIEDRICH, M. F. (2001).Sistema de Acionamento de Comportas em Modelo Reduzido. Artigo- www.hydroplus.com

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