de ilha solteira pressao intersti ci al das estri … intersticial das... · neste trabalho,...
TRANSCRIPT
XVII SEMINARIO NACIONAL DE GRANITES BARRAGENS
BRASILIA
AGOSTO 1987
PRESSAO INTERSTI CI AL DAS ESTRI ITURAS DE CONCRETO DA US I NA HI DRELETRICA
DE ILHA SOLTEIRA
TEMA I
Eng9 Marco Antonio Juliani (**)
Eng9
Eng9
Yssamu
Julio
Miyaii (*)
Cesar Astolphi (*)
Eng9 Selmo Chapira Kuperman (**)
(**) Themag Engenharia Ltda.
(*) Companhia Energetica de Sao Paulo-CEP
1. INTRODUCAO
A Usina Hidreletrica de Ilha Solteira localiza- se no Rio
Parana , na divisa dos Estados de Mato Grosso do Sul e Sao Pau
lo, Brasil. As suas caracteristicas principais sao as sequin
tes: -
CARACTERISTICA UNIDADE VALOR
Capacidade MW 3.200
Comprimento total m 6.200
Largura da crista m 11
Cota do coroamento m 332
Volume total de concreto m3 3.686.496
Volume total das obras deterra m3 22 .589.620
Vazao media anual do rio m3/s 5.380
Maxima enchente observada m3/s 19.150
Maxima enchente de projeto m3/s 40.000
Bacia Hidrografica km2 337.340
Volume do reservatorio 106m3 21.166
Altura de queda normal m 46
TABELA 1 - CARACTERISTICAS DA USINA HIDRELETRICA
DE ILHA SOLTEIRA
Pelo fato de ser uma das primeiras barragens brasileiras
de grande porte construidas em concreto massa , decidiu-se uti
liza - la para a observacao de ocorrencia de determinados feno
menos.
Um dos fenomenos mais importantes em estruturas hidrau
licas, particularmente em barragens de concreto, e a percola
cao d'agua.
Alem de poder causar problemas funcionais , tais como vazamen
tos, corrosao de armadura e concreto, a percolacao pode ser
responsavel por esforcos adicionais na estrutura : a pressao
nos poros ou intersticial.
Os principais aspectos que podem ser levantados em um es
tudo de percolacao d'agua e seus efeitos podem ser resumidos
131
nas seguintes questoes:
- a percolacao existe apenas em fissuras ou de maneira ge
neralizada?
- qual a intensidade das pressoes nos poros ao longo do
tempo em cada ponto da estrutura?
Embora varios autores, como Carlson [3], Leliavsky [5] ,
Zee[6], Bazant[9] e Serafim[10] tenham realizado estudos teo
ricos e experiencias em laboratorio, dando valiosas contribui
Coes ao assunto, e importante que se conheca mais a respeito
da intensidade e distribuicao de pressoes intersticiais no con
creto de estruturas hidriulicas, principalmente porque muito
pouco e sabido sobre os diversos aspectos relevantes do compor
tamento do concreto massa sob complexos estados de tensao.
Com a finalidade de esclarecer melhor esse assunto, quan
do da construgao da barragem de Ilha Solteira, decidiu-se pela
instalacao de uma serie de medidores de pressao intersticial -
embutidos no concreto. A iniciativa visava coletar informacoes
sobre a intensidade das press6es d'agua atuantes nos poros do
material e estudar sua evolucao ao longo do tempo.
Neste trabalho, procura-se resumir os resultados obtidos
e compara-los com as teorias existentes.
2. DETERMINAcAO TEORICA DA PROFUNDIDADE DE PENETRAgAO DO
FLUXO D'AGUA
Ate o inicio deste seculo, as analises de tensoes em bar
ragens eram feitas considerando-se o concreto como material im
permeavel e a fundacao permeavel.
Calculava-se a acao da igua atraves do empuxo hidrostatico nas
faces de montante e jusante, a subpressao no contato concreto
rocha e as presses dentro da massa de concreto provocadas pe
la penetracao da aqua em eventuais fissuras (Ver figura 1).
A ocorrencia de percolacao d'agua dentro do corpo de cer
tas barragens construidas no seculo passado e inicio deste se
culo, como por exemplo na barragem de St.Francis[10], e medi
toes de press6es nos poros em barragens com diferentes idades
de funcionamento, tais como as barragens de Hiwassee(1940) e
Fontana(1944), estudadas pelos engenheiros da T.V.A (Tennessee
132
i 1^ I 6151"WPb 1 1 1 1i 1
Valley Authority[ 10], mostraram que o metodo de analise ante
riormente descrito era insatisfatorio,Atualmente , em muitas analises de tensoes em barragens
de concreto , as awes da agua riao sao mais consideradas de
acordo com a figura 2, e o principio adotado, aceito por Ter
zaghi, Zillunger , Leliavsky e outros[5 ], considera que a aqua
percola atraves dos vazios do concreto , provocando as pressoes
intersticiais . Portanto , a pressao da aqua atuaria como forca
de volume dentro da estrutura e nao apenas como forca exterior
nos paramentos de montante e jusante da barragem.
Com o advento dos grandes computadores e o desenvolvimen
to de programas baseados no metodo dos elementos finitos, as
analises de tensoes em barragens se tornaram possiveis em
quaisquer casos de geometria e condigoes de carregamento. Uti
lizando esse metodo, Zienkiewicz [ 81 mostra um exemplo de bar
ragem de contrafortes , na qual a feita a comparacao dos efei
tos da pressao da aqua considerada como forca exterior e como
forca de volume , chegando a conclusao que a zona de tenses de
tracao a cerca de 2,5 vezes maior no ultimo caso.
Deve-se levar em conta, entretanto , que o tempo de completa sa
turacao de uma barragem varia em funcao da permeabilidade do
concreto , da quantidade de juntas e fissuras da estrutura, da
porosidade do material, e da pressao d'igua atuante (nivel do
reservatorio).
Por sua vez , a permeabilidade do concreto depende, entre
outras coisas, das caracteristicas fisicas da mistura e dos
seus componentes (tipo de cimento, dimensoes dos agregados, fa
for agua -cimento , etc.), enquanto que as fissuras da estrutura
variam com as caracteristicas mecanicas do concreto ( resisten
cia, modulo de deformacao, etc.) e dos carregamentos atuantes.
Alem disso, a evolucao da tecnologia do concreto e das tecni
cas de construcao tem contribuido sobremaneira para que o mate
rial seja cada vez mais impermeivel bem como que as eventuais
fissuras e porosidade das estruturas sejam reduzidas.
A utilizacao de um ou outro criterio leva a resultados
bastante diferentes. Tem sido adotado em diversos paises o cri
terio da figura 2, principalmente por ser mais expedito e que
leva a solugoes mais economicas . Muitas barragens de concreto
nao chegam a atingir o estado de saturacao no intervalo de sua
vida util , o que justifica uma analise mais profunda do esque
133
ma estrutural mais adequado a ser adotado.
A intensidade da pressao nos poros e principalmente o
tempo despendido pela agua para atingir um determinado ponto
da estrutura podem ser obtidos atraves da formulagao matemati
ca do problema de percolacao da aqua em estruturas de concre
to. Utilizando-se a formulacao apresentada por Bazant [91, e
considerando-se o equilibrio do fluxo de aqua a temperatura -
constante no concreto saturado, suposto so'lido poroso iSotro'pi
co, com o acrescimo de massa de aqua capilar e supondo:
- que a hidratagao se completa antes da barragem ser solici-
tada pela pressao hidrostitica;
- que a massa de aqua capilar e relacionada a pressao nos po
ros atraves do coeficiente de compressibilidade da agua,su
posto constante;
- que a massa especifica da aqua, o peso especifico da aqua
e o coeficiente de permeabilidade do concreto sio constan
tes;
- variacao linear de pressao nos poros entre a superficie de
montante e o ponto atingido pela agua (p=0), chega-se a
expressao:
t = axe/2HK [1)
Sendo:
H = po/y altura do nivel d'agua de montante (m);
Po = pressao da agua a montante (KN/m2);
y = peso especifico da aqua (ti10 KN/m3);
K = coeficiente de permeabilidade do concreto (m/s);
x = distincia percorrida pelo fluxo d'agua a partir da su
perficie de montante (m);
a = volume relativo apos a hidratacao = ah+ ac
ah = volume relativo de vazios devido a retirada da agua
dos poros da pasta de cimento durante a reagao de hi
dratacao;
ac = volume relativo de vazios devido a porosidade capilar
do concreto nao saturado (adotado como 6% do volume).
134
3. DESCRICAO DOS APARELHOS
Os aparelhos medidores de pressao intersticial ( pore
pressure meter) usados em Ilha Solteira sao do tipo Carlson ,
baseados no principio de resistencia eletrica e modelo CP-N,da
Kyowa. Sao compostos de um pequeno extensometro, montado numa
armacao de ago inoxidivel e um filtro de metal que e preenchi
do com gel de petroleo para prevenir ferrugem no diafragma.
A igua percola pelos poros e entra em contato com o gel, que
por sua vez pressiona o diafragma. A deformacao causada no dia
fragma e transmitida ao extensometro e a partir dele, se obtem
valores de resistencia com os quais se calcula a pressao atuan
to (pressao intersticial). 0 aparelho permite tambem a determi
na^ao da tefperatura local aAs principais caracteristicas dos aparelhos instalados
no vertedouro de superficie sao:
- diametro (na borda) 16,3 cm
- comprimento 7,4 cm
- modelo CP-8N
- intervalo de leitura(MPa) 0,8
- menor valor lido (MPa) 0,008
4. LOCALIZACAO DOS APARELHOS E DATAS DE INSTALACAO
Os aparelhos instalados no vertedouro de Ilha Solteira
estao localizados no bloco VS-11 e suas posicoes estao indica
das nas figuras 1 e 3.
Quando da instaladao desses medidores, tomou-se cuidado
para que sua face ficasse distante o suficiente de armaduras ,
cabos ou equipamentos para evitar canais preferenciais de per-
colacao d'agua no seu contato com o concreto, o que alteraria
as condicoes reais de pressao nos poros.
A tabela 2 mostra as datas de instaladao dos aparelhos,
bem como as cotas dos mesmos.
Os instrumentos PT9, PT10, PT11, PT15 e PT19 nao cons
tam da tabela por estarem danificados.
135
APARELHO DATA DE COTA
INSTALAcAO (m)
PT1 05/72 260,50
PT2 05/72 260,50
PT3 05/72 260,50
PT4 05/72 260,50
PT5 05/72 260,50
PT6 05/72 260,50
PT7 05/72 260,50
PT8 05/72 260,50
PT12 08/72 278,50
PT13 08/72 278,50
PT14 09/72 278,50
PT16 09/72 289,75
PT17 09/72 289,75
PT18 11/72 305,50
PT20 12172 305,50
TABELA 2 - DATAS DE INSTALACAO E COTAS DOS
APARELHOS.
5. RESULTADOS OBTIDOS
Os graficos 1 a 6 apresentam os resultados obtidos com ainstrumentacao instalada. Pode-se verificar que quase todos os
aparelhos mostraram pressoes de aqua nulas ao longo do tempo e
apenas os situados muito proximo a face de montante e jusante
e que tiveram variacoes: pressoes crescentes positivas corn o
enchimento do reservatorio, leve tendencia a estabilizacao -
apos o nivel de agua a montante ter chegado ao seu ponto maxi
mo seguido, em alguns aparelhos, de decrescimo de pressoes ao
correr dos anos.
Um dos aparelhos que apresenta este comportamento e 0
PT-1, instalado a 1,30 m da face de montante. Pode-se tentar
analisa-lo aplicando-se a equacao 1, indicada no item 2 e con
siderando que Segundo Powers (ver [9]), ah e igual ao volume -
de 28% da aqua quimicamente combinada durante a hidratacao,que
por sua vez e igual a aproximadamente 22% do peso de cimento -
136
I
(apos prolongada hidratacao). Portanto ah e 6,2% do peso de ci
mento, dividido por ya, por unidade de volume do concreto.
No caso do vertedouro da Usina Hidreletrica de Ilha Sol
teira, pode-se utilizar os seguintes dados aproximados: coefi
ciente de permeabilidade de 10-12m/s, nivel de aqua de montan-
te de 328 m, cota de instalacao dos aparelhos PT1 a PT8 e
260,50 m, consumo de cimento de 150 kg/m3 (concreto da face
montante).
Para um intervalo de 14 anos, ou seja, 4,42 x 108 segun
dos, a distancia teoricamente percorrida pela aqua na elevagao
260,50 m seria:
H = po/ya = (328,0 - 260,50) = 67,5 m
ah = 6 ,062 x 1,510 = 0,0093
ac = 0,06
a = ah+ ac = 0,0693
x = 0,93 m
Como tem ocorrido continua reducao de pressao medida (vi
de grafico 1) e de se supor que o aparelho ester no caminho de
alguma fissura que, aos poucos, vai sendo preenchida por pro-
dutos carreados pela agua ou por colmatacao dos poros. Verifi-
cou-se ao mesmo tempo elevacao da pressao medida pelo PT4, da
ordem de 0,7 kgf/cm2. Este fato ainda nao tem justificativa -
pois o aparelho encontra-se no meio da massa, entre o PT3 e
PT5 que nao apresentam variacao de leitura. Provavelmente em
v it tude de estarem localizados mais proxitros da face jusante o PT8 e o
PT14 apresentam pequenas variacoes de pressao: cerca de 0,5
kgf/cm2 e 0,7 kgf/cm2 respectivamente. Segundo a teoria nenhum
dos aparelhos deveria apresentar variacoes significativas nas
medicoes das pressoes intersticiais. Isto ocorre com 75% dos
aparelhos ainda em operacao.
6. CONCLUSOES
Ha uma necessidade de analise previa da estrutura glo
bal para obter-se a melhor forma de consideragao da pressao -
137
intersticial em estruturas de concreto . Deve -se sempre levar
em conta a qualidade da execucao da obra, as caracteristicas -
do concreto, o tempo de vida util esperado para a construcao e
a confiabilidade da teoria utilizada.
Com as leituras obtidas nos ultimos 14 anos, no concreto
massa do vertedouro de Ilha Solteira, verifica- se que ate a
presente data, a consideragao teorica apresentada e satisfato-
ria, mostrando a grande influencia da qualidade do concreto -
principalmente quanto a sua impermeabilidade. Durante os pro
ximos anos, os aparelhos instalados deverao continuar a ser
observados para a sequencia deste estudo possibilitando, com
os dados de um periodo mais prolongado, a obtencao de informa
toes que possam ser utilizadas para aperfeicoamento dos crite
rios de projeto.
Continua sendo importante a instaladao desse tipo de ins
trumento em outras obras de concreto, para permitir melhor ava
lia4ao dos efeitos da pressao intersticial nas estruturas.
7. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a Companhia Energetica de Sao Paulo
e a Themag Engenharia Ltda o apoio recebido e a permissao para
divulgacao das informacoes aqui contidas.
138
BIBLIOGRAFIA
[1] Relat6rio no UIS-THC-A4-1508 - "Usina Hidreletrica de
Ilha Solteira - Medidores de pressao intersticial", elabo
rado pela THEMAG ENGENHARIA LTDA, Sao Paulo, 1975.
[2] Relatorio no UIS-THC -A4-1538 - "Usina HidreletricaIlha Solteira - Medidor de pressao intersticial",
rado pela THEMAG ENGENHARIA LTDA, Sao Paulo, 1977.
de
elabo
[3] Carlson, R.W. "Permeability, pore pressure, and uplift
in gravity dams ", paper nQ 2874, Transactions of the Ame
rican Society of Civil Engineers, volume 122, 1957, pagi
nag 587 a 613.
[4] Neville, A.M. "Properties of Concrete", 3rd edition,
man Publishing Limited, Londres, 1981.
Pit
[5] Leliavsky, S:"Dams", Oxford & IBH Publishing Co.,
Delhi, 1981.
New
[6] Zee, Chong-Hung: "Pore pressure in concrete dams",
1957, Journal of the Power Division, Proceedings of
American Society of Civil Engineers, April, 1958.
paper
the
[7] "Design criteria for concrete arch and gravity dams" -
Engineering Monograph nQ 19, United States Department of
the Interior - Bureau of Reclamation - Washington, 1977.
[8] Zienkiewicz, O.C: "El metodo de los elementos finitos"
traduzido da 34 edicao inglesa, Editorial Reverte S.A.
Barcelona, 1980.
[9] Bazant, Z.P: "Pore pressure, uplift and failure analysis
of concrete dams" - trabalho constante do livro " crite
ria and assumptions for numerical analysis of dams", edi
tado por D.J.Maylor, K.G.Stagg e O.C.Zienkiewicz, Swan
sea, 1975.
139
[10] Serafim , J.L.: "A subpressio nas barragens" - Publicacao
no 55, Laboratorio Nacional de Engenharia Civil , Lisboa,
1954.
[11] Technical Report no 6-654: "Investigation of instruments
for measuring pore pressure in concrete - Report 2 - Ins
truments installed at Hartwell Dam, Georgia" - U.S. Army
Engineer Waterways Experiment Station, Vicksburg, Missis
sipi, Marco, 1970.
[12] Kuperman, S.C: "Permeabilidade e durabilidade de Concre
tos sujeitos a igua do mar", Seminario de Tecnologia do
Concreto para Estruturas, IBRACON - PETROBRAS, 1983.
[13] Juliani, M.A.C.: "Pressao nos poros das estruturas hi
draulicas de concreto ", XI Seminario Nacional de Grandes
Barragens , Rio de Janeiro, 1983.
140
5,50
58, 50
FLUXO
PLANTA - EI.260150
FLUXO 0^
4180
1,30F I6.
PT 16 'PT17
13,70 10,50 i
PLANTA-EI.289,75
'PT25 'PT34
!I6fT'PT8
BO , T sos s^s 6016,6016,60^
FLUXO 0>
OD
0, 70 17,40
PI ANTA.-EL30:-,50I
FIG URA 1 - Locolizogiio dc: oporeihos
,Z 771-- ._ i = ==air - _ 7'itmIML
FIGURA 2 -A96o d., dguo sobre umo borragem
PT 1r PT Oi- -
141
P1,19 PT 20
DANIFICADO
LINHA DE DRENAGEM
E1.286 ,00 - N.A. Jus.(Mox.)
El. 281,20- N.A. Jus. ( Mm)
F I G U R A 3 - Vertedouro de Surperficie , Bloco U-11
Loco, izoyoo dos medidores de pressa"o
intersticiol • diogromo d• ^ -: 'es
medidas em junho de 1986.
142
0 N 0 0pO 0 0
M M O N NM M
w Q .-r
W Z G
tiN
O
N
LDtom
htom
00toa00cD cDN N
(36
I a aco
NawCL CL
Nto01
com
0OZ -
°-' Q LL..Q
cop-ap
Nm
Nm
NNm
143
i t
0 O 0 0 O O 00M
NM
_0 C)
NtiN
lD
r) N
JZ -G-W
00to torn00c0 c0N N
o u
N
0
co
N-
I-
1-
I)
144
S
1 ^
^
r
I
I
1
-i /
1
I
ON
00M
Oa)N
0coN
0toN
^ 1^ c0
aaCLa0
NQa4waaacr Q Q Q
N0J0
rn
1)
N .
0)
0
N
145
tl- 1 t _I_ L J
1 ^
I ^I1
I ^
r
I
!1
0 0 0 O 0 O 00MM
NO
in0 C)
N NW)N
(D co
It a s 4.
NCo01
co01
11
m
rn
l)
146
to 00
I m off to0 U-)(D 0
I
N M
co U U0> .^v
0
I
I-v a a0
w a. a
l (Mo)
a.rQQ
0)
0)
00N)
0 0
N
147
t
OMM
0NM
OO
0NN
L► 1
co 00 t)0
in in ti
too t coN N
CO (\I N
CL n.CLro
crcn q q qwCL CL acrgc4
000)
0CT)0
00 U
U.ro
m
cD
u)N
m
MNN
148