UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
JOSÉ LUCAS SOBRAL MARQUES
RODOLFO ROSENDO DE CARVALHO
CRITÉRIOS DE PROJETO DE BARRAGENS DE CONCRETO À GRAVIDADE:
UMA VISÃO DE SUSTENTABILIDADE
CURITIBA
2013
JOSÉ LUCAS SOBRAL MARQUES
RODOLFO ROSENDO DE CARVALHO
CRITÉRIOS DE PROJETO DE BARRAGENS DE CONCRETO À GRAVIDADE:
UMA VISÃO DE SUSTENTABILIDADE
Trabalho de conclusão de curso apresentado à disciplina Trabalho Final de Curso
como requisito parcial para à conclusão do curso de Engenharia Civil, Setor de
tecnologia, Universidade Federal do Paraná.
Orientador: Prof. Dr. José Marques Filho
CURITIBA
2013
TERMO DE APROVAÇÃO
JOSÉ LUCAS SOBRAL MARQUES
RODOLFO ROSENDO DE CARVALHO
CRITÉRIOS DE PROJETO DE BARRAGENS DE CONCRETO Â GRAVIDADE:
UMA VISÃO DE SUSTENTABILIDADE
Trabalho de conclusão de curso aprovado como requisito parcial para a
conclusão do curso de Engenharia Civil na Universidade Federal do Paraná, pela
seguinte banca examinadora:
____________________________________
Prof. Dr. José Marques Filho
Orientador – Departamento de Construção Civil, UFPR
_______________________________
Prof. MSc. José de Almendra Freitas Júnior
Departamento de Construção Civil, UFPR.
___________________________________
Prof. Phd. Marcos Antônio Marino
Departamento de Construção Civil, UFPR.
Curitiba, 18 de março de 2013.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente, a Deus pela dádiva da vida.
Aos nossos pais, pelo apoio e amor incondicional.
Aos nossos irmãos pela amizade e companheirismo.
Ao nosso professor orientador José Marques Filho pelo tempo dedicado,
paciência e pela amizade.
À turma de Engenharia Civil de 2008 da UFPR pela contribuição na nossa
formação como profissionais e, acima de tudo, como indivíduos.
A Camila e Heloísa pela paciência e carinho dedicados.
Aos mestres por acreditarem no nosso potencial em meio a tantos desafios.
Às empresas Intertechne S. A. e VLB Engenharia e Consultoria Ltda. pela
disponibilização de material para consulta no desenvolvimento do presente trabalho.
RESUMO
No ano de 2012, a humanidade passou a ser composta por mais de sete bilhões de
indivíduos, cujas necessidades de moradia, saúde, água e energia devem ser
satisfeitas, para que todos desfrutem de uma qualidade de vida digna. Este
crescimento levou ao mundo uma política socioambiental mais ativa, gerando
esforços na direção da sustentabilidade. A construção civil possui papel relevante
nas mudanças, não só nos números econômicos e geração de empregos, mas na
utilização intensa de recursos naturais e na geração de resíduos e poluição,
principalmente na emissão de Gases do Efeito Estufa - GEE. Em termos mundiais a
produção de energia também é grande geradora de GEE, gerando a necessidade de
investimentos em fontes de energia renováveis. Além de seu papel na contribuição
para a segurança do fornecimento de energia e reduzir a dependência do país de
combustíveis fósseis, a energia hídrica oferece oportunidades para o alívio da
pobreza e desenvolvimento sustentável. O Brasil têm um dos maiores potênciais
para exploração da energia hidráulica, mas passa hoje por um processo de
desconfiança socioambeintal nesse tipo de solução. A geração do sistema elétrico
brasileiro é fortemente pautada em fontes renováveis, pois é muito dependente da
hidroeletricidade, o sistema elétrico é fortemente dependente da disponibilidade
hídrica. As barragens são estruturas que apresentam um risco potencial elevado,
motivo pelo qual os regulamentos de segurança prescrevem atividades de
acompanhamento e observação, por instrumentação, inspeção visual ou ensaios
específicos. A escolha do tipo de barragem dependerá, principalmente, da existência
de material qualificado para sua construção, dos aspectos geológicos e geotécnicos,
e da conformação topográfica do local da obra. O presente trabalho apresenta os
critérios de verificação de estabilidade global para barragens de concreto à
gravidades da ELETROBRÁS e dos órgãos internacionais U. S. Army Corps of
Enginners e U. S. Bureau of Reclamation, criando um manual para verificação dos
critérios de estabilidade e apresenta os fenômenos físicos relacionados. Após a
apresentação dos conceitos, apresenta-se uma análise de sensibilidade de
estabilidade global para seções típicas de barragens de concreto compactado com
rolo, variando a altura, a inclinação do paramento de jusante, os parâmetros da
interface concreto fundação e a inclinação do leito do rio. Mostra-se claramente a
importância fundamental da avaliação adequado dos parâmetros de fundação, e a
influência significativa da altura em relação à geometria da barragem e da
inclinação da fundação.
Palavras Chave: barragens, concreto, estabilidade, barragem de concreto à
gravidade
ABSTRACT
In 2012, the Earth’s population has more than 7 billion inhabitants. Their energy,
water, health and housing needs must be furnished by Civil Engineering, in order to
provide dignity and decent standard of living for them. The accelerated growth in the
last centuries generated the necessity of a new social and environmental approach.
Building have been recognized as one of the most intensive user of natural resources
and this activity produces a significant amount of waste and Green House Gas
(GHG) emition. Power and energy industries are relevant producers of GHG emitions
too, and renewable energy development is a worldwide necessity. In particular,
hydropower energy is a great option to minimize GHG emitions, and Brazil has a big
hydropower potential and the nation has an integrated transmition grid that permits to
optimize the energy availability. Most of the eletricity power used in Brazil is obtained
from Hydropower plants and the country has a enormous potential to be used to
energy supply. In spite of the benefits of hydropower plants, their development has a
significant society distrust and rejection. This paper aims to furnish arguments to
discuss about dams, their effects and safety. In order to enlight the several physical
concepts analized, this document presents the main wordwide Stability Analysis
Criteria, and performed a sensitivity analysis on Rolled Compacted Concrete Gravity
Dams typical cross section. The studied parameters are dam heigth, rock-concrete
interface strength parameters, downstream slope and foundation slope. The results
show the relevance of geological parameters investigations and the relationship dam
shape X heigth.
Keywords: dams, concrete, stability analysis, concrete gravity dam
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 – DESENVOLVIMENTO HISTÓRICO DA OFERTA GLOBAL DE
ENERGIA PRIMÁRIA A PARTIR DE FONTE RENOVÁVEL
1971-2008 .......................................................................................... 21
FIGURA 2 – POTENCIAL DE MITIGAÇÃO............................................................ 29
FIGURA 3 – SUPRIMENTO MUNDIAL DE ENERGIA ........................................... 31
FIGURA
4 – HIDRELÉTRICAS POR REGIÕES NO MUNDO: POTÊNCIA
INSTALADA E GERAÇÃO ................................................................. 32
FIGURA 5 – DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA NO PLANETA ............................................ 34
FIGURA 6 – ETAPAS DE IMPLANTAÇÃO DE APROVEITAMENTOS
HIDROELÉTRICOS ........................................................................... 36
FIGURA 7 – POTENCIAL HIDRELÉTRICO BRASILEIRO ....................................... 38
FIGURA 8 – FLUXOGRAMA DA ETAPA DE PLANEJAMENTO DOS
ESTUDOS .......................................................................................... 42
FIGURA 9 – FLUXOGRAMA DA ETAPA DE ESTUDOS PRELIMINARES .............. 43
FIGURA 10 – FLUXOGRAMA DA ETAPA DE ESTUDOS FINAIS ........................... 44
FIGURA 11 – FLUXOGRAMA DA AAI DA ALTERNATIVA SELECIONADA ............ 45
FIGURA 12 – HITÓRICO DA MATRIZ ELÉTRICA .................................................... 55
FIGURA 13 – PERSPECTIVA PARA MAIOR DIVERSIFICAÇÃO DA MATRIZ
ENERGÉTICA E AUMENTO DA PARTICIÁÇÃO DA CANA-DEAÇUCAR E DO GÁS NATURAL ........................................................ 57
FIGURA 14 – CORTE TRANSVERSAL DE UMA BARRAGEM EM ATERRO.......... 59
FIGURA 15 – CORTE TRANSVERSAL DE UMA BARRAGEM DE GRAVIDADE .... 59
FIGURA 16 – CORTE TRANSVERSAL DE UMA BARRAGEM EM ARCO .............. 60
FIGURA 17 – SEÇÃO TRANSVERSAL DE UMA BARRAGEM DE CONCRETO
A GRAVIDADE................................................................................... 66
FIGURA 18 – VISTA DE JUSANTE DE UMA BARRAGEM DE CONCRETO A
GRAVIDADE ...................................................................................... 67
FIGURA 19 – USINA DE ITAIPU .............................................................................. 70
FIGURA 20 – MODELO DE DIMENSIONAMENTO EM FUNÇÃO DA
TEMPERATURA E ANÁLISE GRÁFICA DAS VARIAÇÕES
VOLUMÉTRICAS ............................................................................... 72
FIGURA 21 – UHE SALTO CAXIAS ......................................................................... 74
FIGURA 22 – BARRAGEM da UHE MAUÁ NA FASE FINAL CONSTRUÇÃO ........ 75
FIGURA 23 – PRAÇA TIPA DA BARRAGEM DE SALTO CAXIAS .......................... 76
FIGURA 24 – SEÇÃO TÍPICA DE BARRAGEM DE CONCRETO A
GRAVIDADE ...................................................................................... 80
FIGURA 25 – DIAGRAMAS DE TENSÕES EM BARRAGENS DE CONCRETO
À GRAVIDADE................................................................................... 83
FIGURA 26 – ESQUEMA COM OS PRINCIPAIS CARREGAMENTOS ................... 85
FIGURA 27 – SUBPRESSÃO SEM LINHA DE DRENOS OU DRENOS
INOPERANTES E PRESSÕES HIDROSTÁTICAS ........................... 87
FIGURA 28 – SUBPRESSÃO COM ABERTURA DE FISSURA DEVIDO AO
SURGIMENTO DE TENSÕES DE TRAÇÃO E PRESSÕES
HIDROSTÁTICAS .............................................................................. 88
FIGURA 29 – SUBPRESSÃO COM UMA LINHA DE DRENOS OPERANTE .......... 89
FIGURA 30 – SUBPRESSÃO COM DUAS LINHAS DE DRENOS OPERANTES .... 90
FIGURA 31 – SUBPRESSÃO SEM LINHA DE DRENAGEM – CRITÉRIO U. S.
ARMY CORPS OF ENGINEERS ....................................................... 91
FIGURA 32 – SUBPRESSÃO COM LINHA DE DRENAGEM COM X > 0,05 H1
– CRITÉRIO U. S. ARMY CORPS OF ENGINEERS ......................... 92
FIGURA 33 – SUBPRESSÃO COM LINHA DE DRENAGEM COM X ≤ 0,05 H1
– CRITÉRIO U. S. ARMY CORPS OF ENGINEERS ......................... 93
FIGURA 34 – SUBPRESSÃO COM LINHA DE DRENAGEM E ABERTURA DE
FISSURA ENTRE FACE MONTANTE E LINHA DE DRENAGEM
– CRITÉRIO U. S. ARMY CORPS OF ENGINEERS ......................... 95
FIGURA 35 – SUBPRESSÃO COM LINHA DE DRENAGEM E ABERTURA DE
FISSURA ALÉM DA LINHA DE DRENAGEM – CRITÉRIO U. S.
ARMY CORPS OF ENGINEERS ....................................................... 96
FIGURA 36 – SUBPRESSÃO COM LINHA DE DRENAGEM – CRITÉRIO U. S.
BUREAU OF RECLAMATION ........................................................... 97
FIGURA 37 – SUBPRESSÃO COM LINHA DE DRENAGEM E ABERTURA DE
FISSURA – CRITÉRIO U. S. BUREAU OF RECLAMATION ............. 98
FIGURA 38 – FORÇA DE EMPUXO DEVIDO A SEDIMENTOS NO PÉ DE
MONTANTE DA BARRAGEM............................................................ 99
FIGURA 39 – FORÇAS SÍSMICAS NA BARRAGEM ............................................. 100
FIGURA 40 – PRESSÕES HIDRODINÂMICAS DEVIDO A AÇÕES SÍSMICAS .... 100
FIGURA 41 – CASO DE CARREGAMENTO Nº 4 – CONDIÇÃO LIMITE - U. S.
ARMY CORPS OF ENGINEERS ..................................................... 103
FIGURA
42
–
CASO
DE
CARREGAMENTO
Nº
5
–
CONDIÇÃO
EXCEPCIONAL - U. S. ARMY CORPS OF ENGINEERS ............... 103
FIGURA 43 – CASO DE CARREGAMENTO Nº 6 – CONDIÇÃO LIMITE - U. S.
ARMY CORPS OF ENGINEERS (1995).......................................... 104
FIGURA 44 – DESLIZAMENTO NA ESTRUTURA ................................................. 109
FIGURA 45 – DESLIZAMENTO NO CONTATO ESTRUTURA-FUNDAÇÃO ......... 110
FIGURA 46 – DESLIZAMENTO NA FUNDAÇÃO ................................................... 110
FIGURA 47 – ENVOLTÓRIA LINEARIZADA DOS CÍRCULOS DE MOHR ............ 112
FIGURA 48 – ENVOLTÓRIA DE RESISTÊNCIA .................................................... 113
FIGURA 49 – 100% DA BASE COMPRIMIDA - RESULTANTE DENTRO DO
NÚCLEO CENTRAL DE INÉRCIA ................................................... 120
FIGURA 50 – 100% DA BASE COMPRIMIDA - RESULTANTE NA POSIÇÃO
MAIS AFASTADA DO NÚCLEO CENTRAL DE INÉRCIA ............... 120
FIGURA 51 – BASE NÃO TOTALMENTE COMPRIMIDA - RESULTANTE
FORA DO NÚCLEO CENTRAL DE INÉRCIA .................................. 120
FIGURA 52 – SEÇÃO TÍPICA PARA O ESTUDO DE SENSIBILIDADE DE
ALGUNS PARÂMETROS ................................................................ 122
FIGURA 53 – SEÇÃO TÍPICA PARA O ESTUDO DA VARIAÇÃO DO ÂNGULO
ENTRE A BARRAGEM E A FUNDAÇÃO ........................................ 123
LISTA DE TABELAS
QUADRO 1 – EMISSÕES DE CO2 POR PRODUTO ............................................... 28
QUADRO 2 – APROVEITAMENTOS HIDRELÉTRICOS POR FAIXA DE
POTÊNCIA....................................................................................... 38
QUADRO 3 – ENERGIA HIDRÁULICA NO BRASIL ................................................. 40
QUADRO 4 – PRAZO DE VALIDADE DAS LICENÇAS AMBIENTAIS ..................... 49
QUADRO 5 – OFERTA INTERNA DE ENERGIA ELÉTRICA ................................... 54
QUADRO 6 – CONFIGURAÇÃO DA OFERTA DE ELETRICIDADE POR
FONTE ............................................................................................. 54
QUADRO 7 – FATORES DE SEGURANÇA MÍNIMOS PARA A ANÁLISE DE
ESTABILIDADE À FLUTUAÇÃO ................................................... 107
QUADRO 8 – FATORES DE SEGURANÇA MÍNIMOS PARA A ANÁLISE DE
ESTABILIDADE AO TOMBAMENTO - ELETROBRÁS ................. 109
QUADRO 9 – LOCALIZAÇÃO DA FORÇA RESULTANTE NA BASE – U. S.
ARMY CORPS OF ENGINEERS ................................................... 109
QUADRO
10
–
FATORES
DE
REDUÇÃO
PARA
A
ANÁLISE
DE
ESTABILIDADE AO ESCORREGAMENTO - ELETROBRÁS ....... 115
QUADRO 11 – FATORES DE SEGURANÇA MÍNIMOS PARA A ANÁLISE DE
ESTABILIDADE AO ESCORREGAMENTO - U. S. ARMY
CORPS OF ENGINEERS .............................................................. 116
QUADRO 12 – FATORES DE SEGURANÇA MÍNIMOS PARA A ANÁLISE DE
ESTABILIDADE AO ESCORREGAMENTO - U. S. BUREAU
OF RECLAMATION ....................................................................... 117
QUADRO 13 – FATORES DE SEGURANÇA MÍNIMOS PARA A ANÁLISE DE
TENSÕES - U. S. BUREAU OF RECLAMATION .......................... 118
QUADRO 14 – SIMULAÇÕES PARA VERIFICAÇÃO DE ESTABILIDADE
GLOBAL......................................................................................... 124
QUADRO 15 – FATORES DE SEGURANÇA AO TOMBAMENTO - CCN ............. 126
QUADRO 16 – FATORES DE SEGURANÇA AO TOMBAMENTO - CCE .............. 127
QUADRO 17 – FATORES DE SEGURANÇA AO TOMBAMENTO - CCL .............. 127
QUADRO 18 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCN – X =
0,65 ................................................................................................ 130
QUADRO 19 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCE – X =
0,65 ................................................................................................ 131
QUADRO 20 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCL – X =
0,65 ................................................................................................ 132
QUADRO 21 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCN – X =
0,70 ................................................................................................ 133
QUADRO 22 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCE – X =
0,70 ................................................................................................ 135
QUADRO 23 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCL – X =
0,70 ................................................................................................ 135
QUADRO 24 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCN – X =
0,75 ................................................................................................ 136
QUADRO 25 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCE – X =
0,75 ................................................................................................ 138
QUADRO 26 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCL – X =
0,75 ................................................................................................ 138
QUADRO 27 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCN – X =
0,80 ................................................................................................ 140
QUADRO 28 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCE – X =
0,80 ................................................................................................ 141
QUADRO 29 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCL – X =
0,80 ................................................................................................ 142
QUADRO 30 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE
COMPRIMIDA - CCN – X = 0,65 ................................................... 145
QUADRO 31 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE
COMPRIMIDA - CCE – X = 0,65.................................................... 145
QUADRO 32 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE
COMPRIMIDA - CCL – X = 0,65 .................................................... 145
QUADRO 33 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE
COMPRIMIDA - CCN – X = 0,70 ................................................... 146
QUADRO 34 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE
COMPRIMIDA - CCE – X = 0,70.................................................... 146
QUADRO 35 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE
COMPRIMIDA - CCL – X = 0,70 .................................................... 146
QUADRO 36 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE
COMPRIMIDA - CCN – X = 0,75 ................................................... 146
QUADRO 37 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE
COMPRIMIDA - CCE – X = 0,75.................................................... 147
QUADRO 38 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE
COMPRIMIDA - CCL – X = 0,75 .................................................... 147
QUADRO 39 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE
COMPRIMIDA - CCN – X = 0,80 ................................................... 147
QUADRO 40 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE
COMPRIMIDA - CCE – X = 0,80.................................................... 147
QUADRO 41 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE
COMPRIMIDA - CCL – X = 0,80 .................................................... 148
QUADRO 42 – FATORES DE SEGURANÇA AO TOMBAMENTO – BASE
INCLINADA .................................................................................... 148
QUADRO 43 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO – BASE
INCLINADA .................................................................................... 149
QUADRO 44 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE
COMPRIMIDA – BASE INCLINADA .............................................. 149
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABMS
Associação brasileira de mecânica dos solos e engenharia
geotécnica
ANEEL
Agência Nacional de Energia Elétrica
ACI
American Concrete Institute
ANA
Agência Nacional de Águas
B
Largura
c
Coesão
CAR
Concreto de Alta Resistência
CBDB
Comitê Brasileiro de Barragens
CBGB
Comitê Brasileiro de Grandes Barragens
CCC
Condição de Carregamento de Construção
CCE
Condição de Carregamento Excepcional
CCEE
Câmara de Comercialização de Energia
CCL
Condição de Carregamento Limite
CCN
Condição de Carregamento Normal
CCN
Condição de Carregamento Normal
CCR
Concreto Compactado com Rolo
CEBDS
Conselho Empresarial Brasileiro para o Desenvolvimento
Sustentável
CIGB
Commission Internationale des Grands Barrages
CMSE
Comitê de Monitoramento do Setor Elétrico
CONAMA
Conselho Nacional do Meio Ambiente
CO2
Dióxido de Carbono
E
Empuxo
EPE
Empresa de Pesquisa Energética
ELETROBRÁS Centrais Elétricas Brasileiras S.A.
fck
Resistência característica à compressão do concreto
FSD
Fator de Segurança ao Deslizamento
FSD
Fator de minoração da resistência devida ao atrito
FSDc
Fator de minoração da resistência devida à coesão
FSF
Fator de Segurança à Flutuação
FEPAM
Fundação Estadual de Proteção Ambiental Henrique Luiz
Roessler
FIRJAN
Federação das Indústrias do Estado do Rio de Janeiro
FUNAI
Fundação Nacional do Índio
GEE
Gases do Efeito Estufa
g
Gravidade
GW
Gigawatt
Hm
Altura da coluna de água de montante
i
Gradiente Hidráulico
IBGE
Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
IBAMA
Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos
Naturais Renováveis
IBRACON
Instituto Brasileiro do Concreto
ICOLD
International Commission on Large Dams
IHA
International Hydropower Association
IPCC
International Panel on Climate Change
IPHAN
Instituto do Patrimônio Histórico e Artístico Nacional
k
Coeficiente de permeabilidade
kg
Quilo
km.a.a.
Quilômetro por ano
kN
Quilonewton
LI
Licença Prévia
LP
Licença Instalação
LO
Licença de Operação
m
Metro
mm
Milímetro
MME
Ministério de Minas e Energia
MP
Ministério Público
MPU
Ministério Público da União
MW
Megawatt
m³
Metro cúbico
m/s
Metro por segundo
N.A.
Nível de água
NBR
Norma Brasileira
ONS
Operador Nacional do Sistema Elétrico
ONU
Organização das Nações Unidas
P
Peso próprio
ppm
Partículas por milhão
PCH
Pequena Central Hidrelétrica
PIB
Produto Interno Bruto
SIN
Sistema Interligado Nacional
SISNAMA
Sistema Nacional do Meio Ambiente
TWh
Terawatt/hora
UFPR
Universidade Federal do Paraná
UHE
Usina hidrelétrica
USBR
United States Department of the Interior Bureau of
Reclamation
V
Volume
WWF
World Wildlife Fund
WCD
World Commissions on Dams
µm
Micrômetro
γ
Peso específico do concreto
μ
Subpressão
σ
Tensão Normal no Concreto
σe
Tensão normal efetiva
σt
Tensão normal total
τ
Tensão Tangencial

Ângulo de atrito

Peso específico da água
∑Me
Somatório de todos os momentos estabilizantes em relação
ao ponto considerado
∑Mt
Somatório de todos os momentos de tombamento
∑U
Somatório de todos os esforços verticais gerados pela
subpressão em uma seção estudada
∑V
Somatório de todas as forças gravitacionais geradas pelo
peso próprio e as cargas permanentes mínimas da estrutura
SUMÁRIO
1.
INTRODUÇÃO .................................................................................................. 18
1.1. IMPORTÂNCIA DO TRABALHO ...................................................................... 20
1.2. OBJETIVOS DO TRABALHO ........................................................................... 24
1.3. ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ..................................................................... 24
2.
SUSTENTABILIDE ........................................................................................... 26
3.
EMPREENDIMENTOS HIDRÁULICOS ............................................................ 34
3.1. LICENÇAS AMBIENTAIS ................................................................................. 45
3.2. SETOR ELÉTRICO BRASILEIRO .................................................................... 50
3.3. TIPOS DE BARRAGEM .................................................................................... 57
3.4. ANÁLISE DE RISCO E SEGURANÇA DE BARRAGENS ................................ 61
4.
BARRAGENS DE CONCRETO À GRAVIDADE ............................................. 65
4.1. VERIFICAÇÃO DA SEGURANÇA .................................................................... 68
4.1.1.
Tipos de concreto utilizados ......................................................................... 69
4.1.1.1.
Concreto Massa ........................................................................................ 69
4.1.1.2.
Concreto Compactado com rolo (CCR) .................................................... 73
4.1.2.
Exploração do Subsolo ................................................................................ 77
4.1.3.
Conceito de Subpressão .............................................................................. 79
5.
ANÁLISE DE ESTABILIDADE GLOBAL DA ESTRUTURA ............................ 84
5.1. AÇÕES ATUANTES ......................................................................................... 85
5.1.1.
Peso Próprio ................................................................................................ 85
5.1.2.
Pressões Hidrostática .................................................................................. 86
5.1.3.
Subpressão – Pressão Intersticiais no Concreto .......................................... 86
5.1.3.1.
Eletrobrás (2003) ...................................................................................... 87
5.1.3.2.
U. S. Army Corps of Engineers (1995) ...................................................... 91
5.1.3.3.
U. S. Bureau of Reclamation (1976) ......................................................... 96
5.1.4.
Empuxo Devido a Presença de Material Assoreado .................................... 98
5.1.5.
Ações Sísmicas ............................................................................................ 99
5.2. CONDIÇÕES DE CARREGAMENTO ............................................................. 101
5.3. VERIFICAÇÕES DE ESTABILIDADE GLOBAL ............................................. 105
5.3.1.
Segurança à Flutuação .............................................................................. 106
5.3.2.
Segurança ao Tombamento ....................................................................... 107
5.3.3.
Segurança ao Deslizamento ...................................................................... 109
5.3.4.
Avaliação das tensões ............................................................................... 117
6.
ANÁLISE DE SENSIBILIDADE ...................................................................... 122
6.1. CARACTERÍSTICA DOS MATERIAIS ............................................................ 125
6.2. CRITÉRIOS DE VERIFICAÇÃO DE ESTABILIDADE GLOBAL ..................... 125
6.3. RESULTADOS ................................................................................................ 125
7.
CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................ 152
8.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................... 156
18
1.
INTRODUÇÃO
No ano de 2012, a humanidade passou a ser composta por mais de sete
bilhões de indivíduos, cujas necessidades de moradia, saúde, água e energia devem
ser satisfeitas, para que todos desfrutem de uma qualidade de vida digna. O
crescimento da humanidade continua expressivo. Segundo a ONU (2013) em 1950 a
população mundial era de 2,6 bilhões de pessoas, segundo suas estimativas em 11
de julho de 1987 a população chegou a 5 bilhões e atingiu a marca de 6 bilhões em
12 de outubro de 1999, e em 2011 chegou a 7 bilhões. Há no planeta, 1,4 bilhões de
pessoas sem acesso de energia de fonte confiável (WWF, 2011). Analisando todos
esses dados, cabe à Engenharia Civil a responsabilidade por toda infraestrutura
necessária à manutenção da vida, sendo responsável diretamente pela integridade
do tecido social necessário aos conglomerados humanos.
As necessidades de infraestrutura são supridas pela Engenharia Civil
através de empreendimentos que utilizam intensivamente recursos naturais e mãode-obra para sua execução, sendo muitos destes insumos não renováveis. Esta
característica indica a necessidade de utilização responsável, com otimização da
solução empregando tecnologias cada vez mais avançadas e soluções com a maior
durabilidade possível. Os produtos a base de cimento e metais são emissores de
grande quantidade de gases do efeito estufa, a partir de agora denominados GEE,
pela necessidade de energia para sua obtenção e pelas reações químicas que os
geram, em particular a calcinação do calcário (JOHN e ISAIA, 2010).
Dentre as desafios de suprimento de infraestrutura destacam-se a
necessidade de fornecimento de água e energia. De acordo com M arques Filho
(2012), a humanidade depende totalmente dos recursos hídricos para sua
sobrevivência, e devido à sua sazonalidade intrínseca é necessário armazenamento
para otimização de seu uso, incluindo para consumo humano, agropecuária e
indústria. A criação de reservatórios artificiais gerou a concepção de vários tipos de
barragens, que produzem naturalmente desníveis consideráveis de água nos
aproveitamentos hidráulicos, que podem ser utilizados para a produção de energia.
Respeitadas
as
questões
socioambientais,
a
energia
proveniente
dos
aproveitamentos hidráulicos representa uma alternativa para geração de energia
renovável e relativamente limpa.
19
Nos últimos anos, o Brasil passa por mudança significativa do seu perfil
econômico apresentando aumento de crescimento e de acesso de camadas da
sociedade mais desfavorecidas aos bens de consumo, segundo o IBGE (2011) a
taxa de atividade de pessoas economicamente ativas na população de 15 ou mais
anos de idade atingiu 63,7% no Brasil. Evidenciando ainda mais essa mudança do
perfil brasileiro, de 2000 a 2010, o rendimento médio mensal do trabalho principal
dos trabalhadores por conta própria e a de todas as categorias dos empregados
cresceu e o ganho real no rendimento médio mensal do total dos empregados foi de
15,8% (IBGE, 2011). Nas crises econômicas dos anos 80 e 90, o país passou por
dificuldades significativas que diminuíram os investimentos em infraestrutura de
grande porte, sendo desmanteladas as equipes de projeto e construção, bem como
houve um redirecionamento dos cursos de engenharia civil para edificações
convencionais, diminuindo
a
quantidade
de
profissionais especializados e
bibliografia e normalização incipientes referentes ao assunto (MARQUES FILHO,
2012).
Apesar dos vastos recursos hídricos disponíveis no país, a sociedade
organizada apresenta resistência crescente à implantação de empreendimentos
hidráulicos, principalmente na área de energia, pressionando a matriz energética
pela necessidade de geração térmica, em geral mais cara, e pela grande quantidade
de obras a fio d’água. As obras chamadas a fio d’água geram energia com o fluxo do
rio, com mínimo ou nenhum acúmulo do recurso hídrico diminuindo as áreas de
alagamento e reduzindo o tamanho do reservatório, com isso não há reserva de
energia para os períodos de seca (ANEEL, 2002). As dificuldades atuais no
desenvolvimento dos empreendimentos hidrelétricos são totalmente diferentes das
enfrentadas décadas atrás, onde os conhecidos riscos técnicos e econômicofinanceiros são colocados em igualdade com as questões socioambientais, incluindo
o relacionamento com a comunidade, questões culturais e do patrimônio histórico
arqueológico (IHA, 2011).
Com a diminuição dos investimentos já citado, os cursos de engenharia civil
focaram seus currículos na área de edificações, diminuindo significativamente os
conteúdos referentes aos aproveitamentos hidráulicos, assim como as publicações
didáticas no assunto. Também, a comunidade técnica não criou normalização
adequada, sendo mais conhecidos alguns regulamentos internacionais.
20
Pela importância do tema, este relatório procura estudar os critérios de
dimensionamento de barragens, conectando-os aos principais conceitos físicos
existentes
e
mostrando
sua
interface
com
os
conceitos
modernos
de
desenvolvimento sustentável.
1.1.
IMPORTÂNCIA DO TRABALHO
A Engenharia Civil mantém o tecido social coeso, procurando dar condições
de conforto e saúde aos cidadãos. É impensável a interrupção no fornecimento de
água ou energia pela necessidade inerente de melhoria das suas condições de vida.
A demanda por energia e outros serviços vem aumentando continuamente
para suprir o desenvolvimento econômico e melhorar as condições de vida das
pessoas. Toda a sociedade precisa energia para sanar necessidades básicas e para
participar dos processos produtivos. Segundo o IPCC (2012), hoje 1,4 bilhões de
pessoas não tem acesso a fontes de energia elétrica confiável e 2,7 bilhões ainda
dependem da energia tradicional, principalmente a base de madeira, resíduos da
agricultura e dejetos de animais. Outro dado chocante é o fato de 2,5 milhões de
mulheres e crianças morrerem por inalação de fumaça proveniente de fornos
convencionais e em contra partida estudos mostram que o aumento do consumo de
energia a níveis de Singapura e EUA levaria ao esgotamento prematuro das
reservas de combustíveis fosseis disponíveis (WWF, 2011).
Desde 1750, o uso de combustíveis fóssil vem aumentando e dominando o
fornecimento de energia, aumentando cada vez mais as emissões de CO 2 na
atmosfera que já atingiram 339ppm no final de 2010 (IPCC, 2012). Sendo assim, é
necessário que se busquem alternativas para que seja possível suprir a necessidade
de energia garantindo acesso a toda a população, mudando essa matriz para tentar
sanar essa dependência dos combustíveis fósseis que continuam a degradar
acentuadamente o planeta.
Muitos estudos e empreendimentos estão sendo realizados com as
chamadas energias renováveis. Essas possuem grande capacidade de mitigar as
mudanças climáticas, podendo estimular uma mudança drástica em todo sistema de
energia, possibilitando tanto sua modernização quanto dos serviços relacionados.
Seu desenvolvimento vem crescendo recentemente e para que essas mudanças
21
continuem são necessários grandes investimentos em tecnologias e infraestruturas.
As energias renováveis podem reduzir o custo da energia assim como acelerar o
acesso a esse bem por toda a humanidade (IPCC, 2012).
Estima-se que as energias renováveis representam 12,9% do total de 492
EJ da oferta de energia primária em 2008 (IEA,2010 apud IPCC,2012). Na (FIGURA
1), será apresentado um gráfico onde se pode observar a participação reçativamente
pequena das energias renováveis no fornecimento mundial, considerando sempre
que a energia hidráulica é renovável.
Biomassa
para
geração de calor e
eletricidade
Energia hidrelétrica
Fornecimento Global de Energia (EJ/a)
Biocombustível
Energia Eólica
Energia Geotérmica
Energia Solar
Resíduos
sólidos urbanos
FIGURA 1 – DESENVOLVIMENTO HISTÓRICO DA OFERTA GLOBAL DE ENERGIA PRIMÁRIA A
PARTIR DE FONTE RENOVÁVEL 1971-2008
FONTE: IPCC (2012)
Além do investimento necessário em tecnologias e infraestrutura para
aumentar a parcela de energias renováveis, é preciso trabalhar com a
sustentabilidade social, buscando um maior equilíbrio do consumo e distribuição de
nossos recursos e riquezas.
No Brasil, assim como no resto do mundo, esta demanda por energia é
crescente devido a mudança no perfil econômico do brasileiro cujo poder aquisitivo
aumentou, conforme já mencionado. Através de leilões para a contratação de
energia pelas distribuidoras, com o critério de menor tarifa, o Governo tenta
22
minimizar o custo de energia para os consumidores, com isso as empresas
geradoras devem estar atentas aos seus custos e aos riscos envolvidos em cada
projeto (BARREIRO JUNIOR, 2008).
No Brasil água e energia têm uma forte interdependência, já que a energia
hidráulica possui uma contribuição expressiva para o desenvolvimento do país. A
participação na matriz energética nacional é da ordem de 42% enquanto ela gera
cerca de 90% de toda eletricidade produzida no Brasil (ANEEL, 2002). A energia
hidráulica além de ser renovável garante a existência de outras fontes de energia
alternativas, pois possui capacidade de armazenagem (IHA, 2012), que fornece
energia quando as usinas com energia alternativas estão sem produção, quer seja
por falta de ventos, sazonalidade da biomassa, período com baixa incidência solar,
dentre outros.
Quando novos empreendimentos hidrenergéticos não são realizados é
preciso procurar outros empreendimentos que complementem o fornecimento para
suprir essa maior demanda, complemento esse que vem principalmente através da
energia térmica, no Brasil. Segundo Barreiro Junior (2008), os impactos ambientais
causados pela operação de usinas térmicas derivam da dispersão de poluentes
atmosféricos. A poluição causada por elas é definida como a degradação da
qualidade ambiental resultante de sua atividade, sendo assim emissão de gases e
materiais particulados além de terem efeitos diretos na saúde dos seres vivos
causam efeitos nocivos a diversas áreas do ecossistema (BARREIRO, 2008).
Além dos impactos ambientais durante todo período de vida útil das
termoelétricas serem muito maiores que as das hidrelétricas o custo da energia
também é maior. Segundo a ANEEL (2013) os últimos leilões de energia
apresentaram preços mais baixos para a comercialização de energia, dando assim
subsídios para que se possa entender o fato de haver pouco investimento no setor,
juntamente com a dificuldade de se conseguir as licenças. O preço da energia de
origem hídrica estava em R$ 93,46 MWh enquanto a de origem eólica custava em
torno de R$ 87,00, já as de origem térmica apresentam bastante bem mais elevado,
apesar de não terem ocorridos leilões desse tipo de energia o seu preço é estimado
em R$ 150,00 (ANEEL, 2013). Outro dado interessando é que o uso das usinas
térmicas para poupar os reservatórios das hidrelétricas já custou R$ 1 bilhão ao
sistema e a conta pode superar R$ 1,6 bilhão em janeiro, segundo o ONS (2012,
apud Luna e Vettorazzo, 2013). Esse custo será dividido por todos os consumidores
23
e será sentido pelos residenciais ao longo de 2013, conforme forem sendo feitos os
reajustes anuais de tarifa, reajuste começa em 3 de fevereiro e o percentual
depende do aval da Aneel (LUNA e VETTORAZZO, 2013).
Constatada a necessidade de expansão da infraestrutura cabe a Engenharia
Civil garantir todas essas melhorias para a população, e deve-se constatar que
construção civil tem uma relação muito intensa tanto com a economia quanto com a
sociedade. Ao mesmo tempo em que esta atividade é responsável por 16% do PIB
mundial, é a maior consumidora de recursos naturais do planeta, de 60 a 75%
(MARQUES FILHO, 2012).
Sabendo desta responsabilidade que a construção tem com a sociedade e
com as questões ambientais, fica evidente a necessidade da evolução de materiais
utilizados, técnicas de construção e é claro a utilização de energia renovável.
Segundo o IPCC (2012), a construção civil é a atividade humana com o maior
potencial de mitigação das emissões de GEE. Sendo assim se torna importante
especificar bem todos os critérios de projeto em busca da sustentabilidade e,
portanto da viabilidade socioambiental e econômica, além da necessidade do
reconhecimento do potencial dos danos de cada projeto específico (IPCC, 2012).
O apelo da sociedade organizada por maiores preocupações ambientais
trouxe grande dificuldade para desenvolvimento de novos aproveitamentos hídricos.
O licenciamento ambiental muitas vezes leva um grande período para que sua
maturação seja completada, gerado pela forte pressão que o sociedade faz, focando
apenas nas características negativas desses empreendimentos, reais ou as vezes
gerada pelo desconhecimento. Admite-se que grande parte das críticas provém da
falta de conhecimento da comunidade técnica na defesa desses empreendimentos.
Como já mencionado, o assunto empreendimentos hidráulicos é muito pouco
abordado nos cursos de graduação. Com as crises financeiras que se instalaram no
país ao longo das ultimas décadas viveu-se um período de pouco desenvolvimento e
investimento em novas tecnologias, assim como novos profissionais capacitados
não foram maturados. Houve uma setorização do ensino, onde a maioria dos cursos
de Engenharia Civil acabou dando ênfase para as construções convencionais.
Juntamente com essa conjuntura vem um falta de pesquisas e trabalhos científicos,
minimizando a quantidade de matéria didático referente ao assunto assim como a
inexistência de uma norma vigente e consistente.
A inexistência de material didático adequado se torna um empecilho na
24
formação de novos profissionais, e principalmente, diminui a potencialidade do
espírito crítico, por falta de discussão conceitual dos vários fatores que interferem
nestas obras. A falta de normalização potencializada culmina na adoção de soluções
inapropriadas, com investigações preliminares, ás vezes insuficiente.
Como o assunto é extenso, um começo interessante de discussão são os
critérios
de
estabilidade,
focados
nos
parâmetros
importantes
para
o
dimensionamento de uma barragem. Também pela amplitude de soluções possíveis,
um foco na solução mais usual de barragens de concreto se mostra útil para um
debate inicial. Seria útil para a comunidade técnica uma visita técnica as barragens
de concreto a gravidade.
1.2.
OBJETIVOS DO TRABALHO
O trabalho fará uma apresentação dos Critérios de Projetos de Estabilidade
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, analisando os resultados sobre a ótica da
sustentabilidade.
Sabendo das demandas energéticas futuras, o trabalho pretende incentivar o
uso de energias renováveis dando ênfase para as energias de origem hídricas, e
assim fomentar a necessidade de investimento em empreendimentos hidrelétricos
apresentando a situação do setor elétrico brasileiro.
Um objetivo secundário seria criar um manual para os cursos de graduação
e para os engenheiros que estão se iniciando nos processos de desenvolvimento de
empreendimentos hidráulicos, no que se refere á barragens de concreto.
Todos os objetivos serão cumpridos através de uma revisão bibliográfica.
1.3.
ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
Este trabalho está dividido em oito capítulos.
O presente capítulo apresenta uma pequena introdução ao assunto, bem
como os objetivos e a justificativa da realização do trabalho.
25
O segundo capítulo mostra a revisão bibliográfica de sustentabilidade,
focada na construção civil e no desenvolvimento de fontes renováveis de energia.
Os terceiro capítulo as principais características de um empreendimento
hidráulico, mostrando qual é o melhor na visão socioambiental. Também apresenta
um resumo no licenciamento ambiental necessário para a instalação, assim como os
riscos envolvidos nesse tipo de edificação. Além disso o capítulo faz um síntese do
setor elétrico brasileiro e apresenta os tipos de barragens que podem ser adotados.
O quarto capítulo aborda as barragens de concreto a gravidade, mostrando
quais são os matérias e técnicas mais usados, assim como apresenta alguns
fenômenos físicos que interferem na verificação da estabilidade de uma barragem.
O capítulo cinco apresenta os principais critérios de verificação da
estabilidade global de uma estrutura de usina hidrelétrica.
No capítulo seis é feita uma análise de sensibilidade de alguns parâmetros
utilizados na verificação da estabilidade global de uma estrutura.
As conclusões e considerações finais estão no capítulo sete.
26
2.
SUSTENTABILIDE
Nas ultimas décadas, o conceito de desenvolvimento sustentável vem
permeando pela sociedade, criando elos entre desenvolvimento econômico, o
tratamento adequado do meio ambiente e o desenvolvimento social.
Estes conceitos são hoje debatidos fortemente na indústria da construção
civil, que trabalha com muitos materiais não renováveis e uso intenso de energia.
Embasando essa afirmação, na cadeia produtiva do concreto, vem ocorrendo desde
2009 seminários anuais de sustentabilidade nos Congressos Brasileiro do Concreto
(IBRACON, 2009, 2010, 2011 e 2012).
O Relatório da Comissão Brundtland, “Nosso Futuro Comum” (1991), indica
que o conceito de sustentabilidade se baseia no ato de atender as necessidades
presentes, sem comprometer a possibilidade das gerações futuras atenderem às
suas próprias necessidades.
Conselho Empresarial Mundial para o Desenvolvimento Sustentável apud
Marques Filho (2012) define: “O desenvolvimento sustentável será alcançado pela
oferta de produtos e serviços a preços competitivos, que satisfaçam as
necessidades humanas, melhorem a qualidade de vida e, ao mesmo tempo,
reduzam progressivamente os impactos ambientais e a intensidade do uso de
recursos, através do ciclo de vida, para um nível compatível com a capacidade de
suporte da Terra”.
Andrade, Tachizawa e Carvalho, em 2004, (apud Yemal et al., 2011)
corroboram com os conceitos, colocando que “O desenvolvimento sustentável é
como a fonte da capacidade de gestão e dos recursos técnicos e financeiros
indispensáveis à resolução dos desafios ambientais que necessitam partilhar do
entendimento de que deve haver um objetivo comum, e não um conflito, entre
desenvolvimento econômico e proteção ambiental, tanto para o momento presente
como para as gerações futuras”.
O crescimento da população mundial é incontestável, a previsão segundo
Marques Filho (2012) é que em 2050 a população mundial ultrapasse nove bilhões
de habitantes. Juntamente com o crescimento populacional vem uma demanda por
mais energia e infraestrutura, para que toda a sociedade tenha uma condição de
vida satisfatória. Porém, da mesma maneira, os problemas sociais, políticos,
27
econômicos e ambientais também crescem na mesma medida que a necessidade
de infraestrutura física.
Há algumas décadas atrás, a maioria das nações via o meio ambiente como
um reservatório de matéria-prima onde se podia facilmente retirá-la ou depositar
rejeitos, da mesma maneira a visão de crescimento econômico a qualquer custo não
via obstáculos visando um crescimento imediato (STACHERA JUNIOR, 2008).
No Brasil, assim como em outros países, durante muito tempo, o
crescimento econômico com sua consequente poluição era um indicativo de
progresso. Essa percepção permaneceu até que os problemas ambientais
(contaminação do ar, da água e do solo) com efeitos diretos sobre os seres
humanos fossem intensificados e houve conscientização da sociedade (BRAGA, et
al., 2005 apud YEMAL et al., 2011).
Esse crescimento desenfreado diminuiu, pois foi instalada no mundo uma
política socioambiental mais ativa, gerando esforços na direção da sustentabilidade.
É evidente a necessidade da melhoria da infraestrutura, mas torna-se cada vez mais
importante avalia-la perante a preservação dos recursos ambientais existentes, e
cabe à Indústria da Construção Civil fornecer novos produtos para a sociedade,
visando diminuir seu impacto. Sendo assim é grande a necessidade que a evolução
técnica e tecnológica se dê na direção de processos sustentáveis (BIANCHINI,
2010).
Segundo Stachera Junior (2008), a construção civil possui uma enorme
parcela de contribuição não só nos números econômicos e geração de empregos,
mas na utilização intensa de recursos naturais e na geração de resíduos e poluição,
o que torna o setor muito importante para a economia.
Segundo Machado et al. (2006), com relação aos impactos ambientais, a
Indústria da Construção Civil é certamente a maior gerador de resíduos de toda a
sociedade, pois além da utilização de recursos não renováveis ao longo de toda sua
cadeia produtiva ela apresenta um alto desperdício de materiais gerando toneladas
de resíduos. O volume de resíduos de construção e demolição gerados é até duas
vezes maiores que o volume de lixo sólido urbano (MACHADO et al., 2006).
A construção civil é responsável por entre 15 e 50 % do consumo dos
recursos naturais extraídos, e consome cerca de 66% de toda madeira natural
extraída, inferior ao total com manejo florestal correto. Em países como o Reino
28
Unido o consumo de materiais de construção civil é de aproximadamente 6
toneladas/ano.habitante (JOHN apud ALVES, 2005).
Além do enorme consumo de recursos naturais, a construção civil também
gera poeira e altas emissões de GEE, pois em toda sua cadeia produtiva apresenta
emissões significativas. Os principais geradores de GEE podem ser indicados a
seguir: cimento; cal; aço; areia; brita; queima de combustíveis fósseis e transporte.
Em algumas cidades européias, as emissões de CO2 da indústria da construção
correspondem aproximadamente a 30% do total das emissões. Somente a indústria
do cimento é responsável por 7% das emissões mundiais de CO2 (STACHERA
JUNIOR, 2008). No (QUADRO 1) são apresentadas as emissões de CO2
comparativas aos principais materiais geradores de GEE.
Produto
Emissão de CO2
Saco de Cimento (50kg)
48,44kg
Saco de cal (20kg)
15,71kg
Aço (1kg)
1,45kg
Tijolo (unidade)
0,95kg
Areia (m³)
22,62kg
QUADRO 1 – EMISSÕES DE CO2 POR PRODUTO
FONTE: STACHERA JUNIOR (2008)
Devido à parcela que a construção civil tem na degradação do meio
ambiente, é necessário procurar formas de minimizar suas emissões de GEE’s.
Segundo o IPCC (2012), a construção civil é a principal atividade humana com
potencial de mitigação dos GEE, sendo assim é preciso estudar e desenvolver
novos métodos para diminuir essas emissões (FIGURA 2).
29
FIGURA 2 – POTENCIAL DE MITIGAÇÃO
FONTE: IPCC (2007, apud MARQUES FILHO, 2010)
A captura e a remoção de CO2 na própria fonte, antes de ele ser lançado na
atmosfera, é uma opção técnica a ser considerada em termos de preocupação com
o efeito estufa (STACHERA JUNIOR, 2008).
Segundo John et al. (2001), a durabilidade desempenha uma função
importante para a obtenção de uma construção sustentável, assim como mudanças
nos detalhes de projeto que proporcionem maior proteção ao componente contra os
fatores de degradação podem aumentar a sua vida útil sem alterar significativamente
a carga ambiental total. Outro fator positivo que pôde ser comprovado pelo trabalho
de YEMAL et al. (2011), é o fato de que as técnicas ambientais são contribuídas
consideravelmente
com
o
reaproveitamento
de
materiais,
apesar
desse
reaproveitamento não alcançar sua totalidade. Marques Filho (2010) defende que o
investimento em sistemas de qualidade dando benefícios sociais aos empregados
pode ajudar a tornar a construção civil mais sustentável, assim como usar CAR,
realizar dosagens com abordagem em sustentabilidade e criar uma normalização
aceleraria e tornaria o processo mais completo.
Os parágrafos anteriores mostram algumas das principais preocupações da
construção civil: emissões de GEE, minimização do consumo de matérias primas e
30
da geração de resíduos e a minimização de defeitos com treinamento qualificado da
mão-de-obra.
Após a discussão dos impactos da construção, vale salientar que muitos
países estão se organizando para achar meios de mitigar esse problema de
emissões de GEE, e observa-se que também são necessárias ações de
conscientização de toda população, pois o Quarto Relatório de Avaliação do IPCC
(AR4) concluiu que "maior parte do aumento observado nas temperaturas médias
globais desde meados do século 20 muito provavelmente se deve ao aumento
observado nas concentrações antropogênicas de gases de efeito estufa." As
concentrações de CO2 continuam a crescer e por no final de 2010 tinha alcançado
390 ppm de CO2, ou 39% acima dos níveis pré-industriais (IPCC, 2012).
Um panorama nacional sobre o problema, está instalado no Brasil um forte
movimento pela sustentabilidade empresarial cujos primórdios podem ser vinculados
à realização da Rio 92 (CEBDS, 2004). “O Brasil posiciona-se como um dos países
com menor intensidade de emissões de GEE na geração e no uso de energia. As
ações do setor produtivo contribuem para o Brasil superar as metas progressivas de
redução de emissões de GEE estabelecidas em planos de ação climática nacional e
subnacionais” (CEBDS, 2004).
Considerando os altos consumos de matéria prima, a quantidade
significativa de mão-de-obra, a utilização de muitos equipamentos pode-se imaginar
que a Indústria da Construção Civil consuma muita energia. John et al. (2001) fala
que a construção civil consome uma quantidade significativa de energia e que
segundo (WRI, 2000 apud John et al., 2001), estima-se que os setores residencial e
comercial são responsáveis por 34,5% do consumo de energia total da economia
mundial.
Em termos mundiais a produção de energia também é grande geradora de
GEE, gerando a necessidade de investimentos em fontes de energia renováveis e
hoje há no mundo uma corrente forte para o investimento nessas fontes, a WWF
defende que, em 2050, 100% do fornecimento de energia no planeta podem ser de
energia renováveis (WWF, 2011).
Conceitua-se energia renovável como aquela gerada a partir de fontes
solares, geofísicas ou biológicas, que são reabastecidas por processos naturais a
uma taxa igual ou superior a sua taxa de utilização. São consideradas energias
renovaveis a gerada por biomassa, energia solar, calor geotérmico, potencial
31
hidrelétrico, marés e ondas do oceano e eólica. Essas fontes de energia renováveis
têm um papel na prestação de serviços de energia de forma sustentável e, em
particular, na mitigação das mudanças climáticas (IPCC, 2012).
Embora haja esse incentivo à utilização de energia renovavél, 85% da
energia primária utilizada economia global vem da queima de combustíveis fósseis,
que representa 56,6% de todas as emissões antrópicas de GEE (IPCC, 2012). Na
(FIGURA 3) é apresentado um gráfico comparativo com o fornecimento de energia
no mundo e sua previsão.
Energia total (EJ/a)
Fornecimento por combustível fóssil
Fornecimento por fontes renováveis
FIGURA 3 – SUPRIMENTO MUNDIAL DE ENERGIA
FONTE: WWF (2011)
Concluindo sobre a necessidade da implantação de empreendimentos de
energia renovável, observa-se que o número desses vêm aumentando rapidamente
nos últimos anos. Esse aumento pode ser explicado pelo fato de que política
governamental de muitos países mudou, assim como o custo de tecnologias está em
declínio e os preços dos combustíveis fósseis crescendo. Pode-se dizer que esse
aumento exigirá políticas para estimular mudanças no sistema de energia.
O presente trabalho visa mostrar as vantagens e beneficios decorrentes da
utilização de energias de fontes hídricas, visto que no cenário mundial a térmica é a
32
mais utilizada. No Brasil a maior fonte de energia elétrica é hidráulica sendo a
complementação no fornecimento de energia é feito basicamente através de energia
térmica. Na implantação de empreendimentos hidráulicos há uma emissão
importante de GEE e muito baixa em sua operação, pois sua fonte de energia é
renovável. Enquanto isso um empreendimento térmico além das emissões em sua
implantação, durante toda sua vida útil produz um grande volume de emissões pela
queima de combustível. Na (FIGURA 4) está apresentado um comparativo entre a
potência instalada e capacidade de geração em todo mundo, de fontes hidráulicas.
Potência Instalada
Geração
FIGURA 4 – HIDRELÉTRICAS POR REGIÕES NO MUNDO: POTÊNCIA INSTALADA E GERAÇÃO
FONTE: IHA (2012)
Vale enfatizar que o potencial teórico de energias renováveis é muito maior do
que a totalidade da energia que é utilizada por todas as economias na Terra. Em
2008, a energia renovável contibuiu com aproximadamente 19% da oferta global de
eletricidade (energia hidrelétrica 16%, 3% outros fontes renovaveis), sendo que a
produção total foi de 20.181 TWh (ou 72,65 EJ) (IEA, 2010 apud IPCC, 2012).
Confirmando esses dados, segundo WWF (2011), a energia hidrelétrica é
atualmente a fonte maior do mundo de energia renovável, fornecendo quase um
quinto de toda a eletricidade em todo o mundo.
Observa-se que juntamente a essa conjuntura em que há uma forte corrente
socioambiental somada à crescente demanda de infraestrutura, interferindo na
construção civil.
33
A postura da população é fruto principalmente da desinformação, da falta de
consciência ambiental e de um déficit de práticas comunitárias. Sendo assim a
preocupação com o desenvolvimento sustentável representa a possibilidade de
garantir mudanças sociopolíticas que não comprometam os sistemas ecológicos e
sociais que sustentam as comunidades, porém tendo a sustentabilidade como novo
critério básico e integrador, estimulando permanentemente as responsabilidades
éticas, na medida em que a ênfase nos aspectos extraeconômicos serve para
reconsiderar os aspectos relacionados com a equidade, a justiça social e a própria
ética dos seres vivos (JACOBI, 2003).
34
3.
EMPREENDIMENTOS HIDRÁULICOS
É impensável a interrupção no fornecimento de água ou energia em grandes
conglomerados humanos mesmo por poucos dias. No Brasil, em particular estes
dois
insumos
fundamentais
estão
correlacionados
com
empreendimentos
hidráulicos, já que a nação possui recursos hídricos abundantes e que formam um
diferencial competitivo.
Com o crescimento populacional e, paralelamente, o aumento do nível de
atividade econômica um aumento da demanda por água e serviços relacionados é
previsível e esperado. O aumento do número de habitantes já evidencia claramente
a necessidade de que novos empreendimentos sejam implantados, aumentando o
fornecimento de água e energia. Sengundo o WCD (2000), o crescimento
econômico tem duas implicações para a demanda de água, o primeiro é que o
aumento da atividade econômica incrementa a procura por serviços hídricos, e a
segunda é que tanto o desenvolvimento trazido pelo crescimento econômico e as
mudanças tecnológicas que o acompanham vão levar a mudanças estruturais no
padrão de bens e serviços que a sociedade produz e consome e também na forma
como esses serviços são prestados. Na (FIGURA 5) está apresentada a distribuição
de água no mundo.
Brasil
Outros
EUA 6%
FIGURA 5 – DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA NO PLANETA
FONTE: WCD (2000)
35
A necessidade de água, tanto para consumo quanto para irrigação e outros
fins nâo é uma necessidade apenas do homem moderno. Desde os primórdios, essa
necessidade caminha junto com a humanidade, e registros históricos sugerem que o
uso de barragens para abastecimento de água e irrigação foram mais difundidos a
partir de 2000 a.C. Porém os primeiros indícios de engenharia fluvial são as ruínas
de canais de irrigação com mais de oito mil anos, na Mesopotâmia e as primeiras
barragens de armazenamento de água foram observadas na Jordânia, Egito e
outras partes do Oriente Médio onde foram encontrados restos dessas barragens
datadas de pelo menos 3000 a.C. (WCD, 2000).
No século 20 houve uma grande evolução na implantação de grandes
barragens as quais ultrapassaram o montande de 45.000 unidades em todo mundo
(WCD, 2000).
Atualmente, cerca de 44% de toda a produção mundial de alimentos provém
de
áreas
irrigadas,
indicando
que
a
segurança
alimentar
depende
dos
empreendimentos hidráulicos (WWF, 2011). Assim como, segundo ANEEL (2002)
geração hidrelétrica tem garantido, nos últimos anos, a produção de cerca de 90%
da energia elétrica produzida no Brasil.
Assim como a água a energia, nas suas mais diversas formas, é
indispensável à sobrevivência da espécie humana. E mais do que sobreviver, o
homem procurou sempre evoluir, descobrindo fontes e formas alternativas de
adaptação ao ambiente em que vive e de atendimento às suas necessidades. O uso
da energia hidráulica foi uma das primeiras formas de substituição do trabalho
animal pelo mecânico, particularmente para bombeamento de água e moagem de
grãos. Entre as características energéticas mais importantes, destacam-se as
seguintes:
disponibilidade
de
recursos,
principalmente, seu caráter renovável.
facilidade
de
aproveitamento
e,
A energia hidráulica é proveniente da
irradiação solar e da energia potencial gravitacional, através da evaporação,
condensação e precipitação da água sobre a superfície terrestre. (ANEEL, 2002).
No caso de empreendimentos energéticos, a seleção de alternativas é feita
tendo como critério básico a maximização da eficiência econômico-energética em
conjunto com a minimização dos impactos socioambientais negativos (MME, 2007).
Como, em geral, a maximização da eficiência econômico-energética conflita com a
minimização dos impactos socioambientais, no processo de comparação e seleção
de alternativas, estes aspectos deverão ser considerados dentro de uma abordagem
36
multiobjetivo (MME, 2007). A (FIGURA 6) apresenta as principais fases do
desenvolvimento de empreendimentos hidrelétricos de energia no Brasil.
FIGURA 6 – ETAPAS DE IMPLANTAÇÃO DE APROVEITAMENTOS HIDROELÉTRICOS
FONTE: MME (2007)
O desenvolvimento de Hidrelétricas está intimamente ligada às políticas de
desenvolvimento nacional, regional e global. Além de seu papel na contribuição para
a segurança seguro de fornecimento de energia e reduzir a dependência do país de
combustíveis fósseis, a energia hídrica oferece oportunidades para o alívio da
pobreza e desenvolvimento sustentável (IPCC, 2012).
Com exceção de pequenos aproveitamentos diretos da energia hidráulica
para bombeamento de água, moagem de grãos e outras atividades similares, o
aproveitamento da energia hidráulica é feito através do uso de turbinas hidráulicas,
devidamente acopladas a um gerador de corrente elétrica. Com eficiência que pode
chegar a 90%, as turbinas hidráulicas são atualmente as formas mais eficientes de
conversão de energia primária em energia secundária (ANEEL, 2012). A força da
água em movimento é conhecida como energia potencial, essa água passa por
tubulações da usina com muita força e velocidade, realizando a movimentação das
turbinas. Nesse processo, ocorre a transformação de energia potencial (energia da
água) em energia mecânica (movimento das turbinas). As turbinas em movimento
estão conectadas a um gerador, que é responsável pela transformação da energia
mecânica em energia elétrica (LUVEZUTTI et al., 2011).
Considerada como energia renovável, a energia hidráulica é muito
interessante por diversos fatores. Além de sua energia ser limpa, segundo o IPCC
37
(2012), as usinas hidrelétricas não consomem a água que move as turbinas, com
isso após a geração de energia, ela está disponível para várias outras utilizações
essenciais. As usinas Hidrelétricas podem ser classificadas segundo a altura relativa
da queda d’água, capacidade ou potência instalada, tipo de turbina, localização, tipo
de barragem, etc.
O sistema energético brasileiro é o maior da América do Sul, com energia
hidrelétrica responsável pela geração de mais de 85% de toda a sua eletricidade.
Outras fontes de energia utilizadas são as de origem térmica utilizando gás natural e
carvão, nuclear, e a eólica que é responsável por 0,4% da eletricidade do sistema
(WWF, 2011). Mesmo sendo o maior do continente, assim como no resto do mundo,
no
Brasil
há
um
anseio
muito
grande
pela
implementação
de
novos
empreendimentos, devido ao aumento da demanda de água e energia, tanto pelo
aumento populacional quanto pelo aumento do poder aquisitivo dos brasileiros.
Além da vasta hidrografia brasileira, o país ainda conta com grande parte de
seu território dominado por terrenos de planalto, o que facilita a implantação de
usinas hidrelétricas, pois são necessários desníveis para a implantação da mesma.
Assim sendo, no Brasil, há um imenso potencial hidráulico, pois o país possui rios
que têm todas as condições para aproveitamento de seu potencial energético e
distribuidor (LUVEZUTTI et al., 2011). O potencial hidrelétrico brasileiro é estimado
em cerca de inventariado é de 108.778 MW e o estimado de 28.096 (MME, 2012).
Na (FIGURA 7) pode-se observar a evolução do potencial Brasileiro ao longo dos
anos.
38
FIGURA 7 – POTENCIAL HIDRELÉTRICO BRASILEIRO
FONTE: MME (2012)
Após a colocação da evolução do potencial hidrelétrico brasileiro pode-se
observar que tal evolução aconteceu com a diversificação do mercado de
aproveitamentos hidrelétricos. Houve um investimento em projetos de diversas
potências e características, e que para esse potencial pudesse ser explorado ao
máximo, sem que o país ficasse refém da hidrologia e uma única região, foi criado o
SIN – Sistema Interligado Nacional. A seguir é apresentada no (QUADRO 2) a
distribuição de Usinas Hidrelétricas por faixa de potência.
QUADRO 2 – APROVEITAMENTOS HIDRELÉTRICOS POR FAIXA DE POTÊNCIA
FONTE: ANEEL (2012)
Devido à grande necessidade da criação de novos empreendimentos assim
como a manutenção dos já existentes, é muito importante analisar a perspectiva
econômico financeira do negócio. Além de inúmeras licenças e permissões
necessárias, um empreendimento hidráulico custa muito dinheiro para sua
39
implantação. Segundo Martins (2008), o Banco Mundial, além do seu papel na
liberalização econômica, foi um grande estimulador e promotor da construção de
barragens em grande escala durante várias décadas. Outro fator financeiro
interessante de ser relacionado com aproveitamentos de energia é que segundo
LUVEZUTTI et al. (2011), a localização das usinas faz com que o preço do
transporte de materiais e insumos seja elevado.
Segundo Marques Filho (2012), as seguintes características de obras
hidráulicas são muito importantes: facilidades Industriais Complexas; utilização de
grandes
volumes
de
material;
multidisciplinaridade
envolvida
no
projeto;
planejamento complexo; dificuldade para compartimentação de atividades; custo
elevado; tempo de maturação expressivo; dificuldades de financiabilidade; grandes
interferências com Meio Ambiente. Além de todas essas características há uma
logística complexa em empreendimento desse porte, pois para que o processo
funcione são necessários equipamentos com peso elevado, as obras geralmente
ficam distantes de centros desenvolvidos e como já foi falado existe o consumo de
grandes volumes de material, que é sanado pela fabricação na obra, sendo
necessária infraestrutura de energia e combustíveis, centrais de britagem e de
concreto, pug mills, sistemas de ar comprimido, água bruta e instalações sanitárias,
pátios de montagem, oficinas de manutenção e centrais de forma e armadura, tudo
isso com controle de qualidade extremamente severo (MARQUES FILHO, 2012).
Como observado, trata-se de uma obra de engenharia complexa, com várias
interfaces técnicas.
O governo e os investidores têm intensificado os investimentos em energia
proveniente de aproveitamentos hidráulicos, tal fato pode ser observado no
(QUADRO 3), no qual tem a evolução da produção e do consumo de energia
hidráulica no Brasil.
40
QUADRO 3 – ENERGIA HIDRÁULICA NO BRASIL
FONTE: MME (2012)
Após a colocação técnica da necessidade de empreendimentos hidráulicos,
é importante acrescentar que a sociedade tem mostrado rejeição aos novos
aproveitamentos, Martins (2006) cita que a história da construção de grandes obras
hidráulicas em muitos aspectos é uma história triste quando se pensa na correlação
entre o bem-estar, os direitos civis e políticos e mesmo com respeito aos objetivos
oficiais de desenvolvimento econômico e da soberania ou autonomia nacional.
Talvez, em parte por esses fatos a população não aceita muito bem a criação de
novos empreendimentos.
Questões ambientais e sociais continuarão a ser afetadas pela implantação
de empreendimentos hidráulicos. Em particular, deve haver preocupação com a
emissão de gases de efeito estufa (GEE) do reservatórios, devido ao apodrecimento
da vegetação e fluxos de carbono a partir da captação (WCD, 2000). Os impactos
sociais locais e ambientais de projetos variam de acordo com o tipo do projeto, o
tamanho e as condições. Alguns dos impactos mais proeminentes incluem
mudanças nos regimes de fluxo e da qualidade da água, barreiras à migração de
peixes, perda de diversidade biológica, e de deslocamento da população (IPCC,
2012). Porém juntos, as novas tecnologias, os novos métodos construtivos e
projetos mais eficazes, todos com uma visão sustentável, têm a capacidade de
tornar essas consequências cadas vez menores e mais brandas (IPCC, 2012).
Pelos motivos apresentados, a implantação de aproveitamentos hidráulicos
é fundamental para garantia da infraestrutura humana, e tão importante quanto o
projeto de novos empreendimentos é a manutenção da vida útil dos existentes.
Segundo o IPCC (2012), a modernização, renovação e melhoramento dos
empreendimentos antigos muitas vezes são menos caros do que o desenvolvimento
de um novo, além de terem menores impactos socioambientais e requererem menos
41
tempo para a execução. As necessidades de água e energia obrigam o estudo
contínuo de seu comportamento juntamente das suas principais manifestações
patológicas e dos processos de reparo (MARQUES FILHO, 2012).
Barragens são meios muito importantes para satisfazer as necessidades de
água e energia a longo prazo, são investimentos estratégicos com a capacidade de
oferecer benefícios múltiplos (ANEEL, 2002). Sendo assim, em um empreendimento
hidráulico, qualquer que seja a solução de barragem adotada, são fundamentais a
parametrização do material para efeito de projeto, a confiabilidade dos processos de
dosagem do concreto e a indicação de valores para o controle da qualidade da obra
e sua análise. Todos estes fatores devem estar subsidiados por correlações
laboratório/obra sedimentadas e confiáveis, para minimização de custos e dos riscos
envolvidos no desenvolvimento desses empreendimentos (MARQUES FILHO,
2005).
As (FIGURAS 8 a 11) apresentam esquematicamente o fluxograma das
tarefas necessárias à implantação dos aproveitamentos hidrelétricos.
42
FIGURA 8 – FLUXOGRAMA DA ETAPA DE PLANEJAMENTO DOS ESTUDOS
FONTE: MME (2007)
43
FIGURA 9 – FLUXOGRAMA DA ETAPA DE ESTUDOS PRELIMINARES
FONTE: MME (2007)
44
FIGURA 10 – FLUXOGRAMA DA ETAPA DE ESTUDOS FINAIS
FONTE: MME (2007)
45
FIGURA 11 – FLUXOGRAMA DA AAI DA ALTERNATIVA SELECIONADA
FONTE: MME (2007)
3.1.
LICENÇAS AMBIENTAIS
A chamada questão ambiental diz respeito aos diferentes modos pelos quais
a sociedade, através dos tempos, se relaciona com o meio físico-natural. O ser
46
humano sempre dependeu dele para garantir sua sobrevivência, e seu uso, como
base da existência humana, bem como as alterações por esse uso provocados na
Terra são coexistentes desde os primórdios (QUINTAS, 2006).
Como já foi mencionado, hoje, o cenário é de demanda crescente por água e
energia tanto no mundo quando no Brasil. Segundo Souza (2009), paralelamente a
este fato, é observado um fortalecimento e consolidação da legislação e do sistema
de gestão ambiental, assim como a participação de novos interessados em prover a
expansão do parque de geração de energia e, também, a maior participação dos
movimentos sociais na esfera pública. Juntando isso aos graves problemas
socioambientais já ocorridos em decorrência da construção de aproveitamentos
hidráulicos, gera ambiente propício aos conflitos socioambientais que perpassam
todo o processo de licenciamento (SOUZA, 2009).
Desta maneira, é necessário que o Estado de alguma forma crie meios e
métodos, assim como delegue as funções de execução e fiscalização à alguém ou
algum órgão que o representa. Segundo o IPCC (2012), os órgãos jurídicos assim
como suas atribuições variam de país para país, incluindo práticas de concessões,
royalties, direitos de água, etc. Com o crescente envolvimento do setor privado, as
disposições contratuais que cercam as hidrelétricas tornaram-se cada vez mais
complexas.
O Brasil possui legislação avançada e severa para as questões ambientais
além de ser o único país que questões ambientais são apresentadas na constituição.
Segundo Vainer (2007), juntamente com o processo de democratização houve a
ascensão de movimentos ambientalistas, que se somando a uma maior
preocupação ambiental, a pressão da sociedade civil e a resistência principalmente
das populações atingidas culminou na necessidade do setor elétrico acrescentar
questões sociais e ambientais em seu cotidiano. Do mesmo modo, ele coloca que a
criação da Constituição Federal e das Constituições Estaduais, no final da década
de 1980 e início da década de 1990, marcaram também o avanço das legislações
estaduais e a consolidação das agências ambientais de vários estados. Segundo
Quintas (2006), a
Constituição
Federal,
ao
consagrar
o
meio
ambiente
ecologicamente equilibrado como direito de todos, bem de uso comum e essencial à
sadia qualidade de vida, atribuiu a responsabilidade de sua preservação e defesa
não apenas ao Poder Público, mas também à coletividade. Sendo assim cada
cidadão tem o dever de protegê-lo, porém caberá aos órgãos e agências públicas o
47
dever de outorgar e fiscalizar a implantação e utilização de empreendimentos que
causam algum dano à natureza.
O licenciamento é um dos instrumentos de gestão ambiental estabelecido
pela lei Federal n.º 6938, de 31/08/81, também conhecida como Lei da Política
Nacional do Meio Ambiente. Em 1997, a Resolução nº 237 do CONAMA - Conselho
Nacional do Meio Ambiente definiu as competências da União, Estados e Municípios
e determinou que o licenciamento deverá ser sempre feito em um único nível de
competência (FEPAM, 2013). É o procedimento no qual o poder público,
representado por órgãos ambientais, autoriza e acompanha a implantação e a
operação de atividades, que utilizam recursos naturais ou que sejam consideradas
efetiva ou potencialmente poluidoras, sendo de obrigação do empreendedor a busca
deste licenciamento junto ao órgão competente. Vale ressaltar que, segundo o
IBAMA o licenciamento ambiental é uma obrigação legal prévia e que possui como
uma de suas mais expressivas características a participação social na tomada de
decisão, por meio da realização de Audiências Públicas como parte do processo
(FIRJAN, 2004).
Os principais órgãos responsáveis pela gestão ambiental no Brasil serão
apresentados a seguir:
O IBAMA, “tem como principais atribuições exercer o poder de polícia
ambiental; executar ações das políticas nacionais de meio ambiente,
referentes às atribuições federais, relativas ao licenciamento ambiental, ao
controle da qualidade ambiental, à autorização de uso dos recursos naturais
e à fiscalização, monitoramento e controle ambiental; e executar as ações
supletivas de competência da União. Cabe ao IBAMA propor e editar
normas e padrões de qualidade ambiental; o zoneamento e a avaliação de
impactos ambientais; o licenciamento ambiental, nas atribuições federais; a
implementação do Cadastro Técnico Federal; a fiscalização ambiental e a
aplicação de penalidades administrativas; a geração e disseminação de
informações relativas ao meio ambiente; o monitoramento ambiental,
principalmente no que diz respeito à prevenção e controle de
desmatamentos, queimadas e incêndios florestais; o apoio às emergências
ambientais; a execução de programas de educação ambiental; a elaboração
do sistema de informação e o estabelecimento de critérios para a gestão do
uso dos recursos faunísticos, pesqueiros e florestais; dentre outros”.
(IBAMA, 2013).
A FUNAI é uma entidade com patrimônio próprio e personalidade jurídica de
direito privado, é o órgão federal responsável pelo estabelecimento e
execução da política indigenista brasileira em cumprimento ao que
determina a Constituição Federal Brasileira de 1988. Tem como objetivo
principal promover políticas de desenvolvimento sustentável das populações
indígenas, aliar a sustentabilidade econômica à sócio- ambiental, promover
a conservação e a recuperação do meio ambiente, controlar e mitigar
possíveis impactos ambientais decorrentes de interferências externas às
terras indígenas, monitorar as terras indígenas regularizadas e aquelas
ocupadas por populações indígenas, incluindo as isoladas e de recente
48
contato, coordenar e implementar as políticas de proteção aos grupos
isolados e recém contatados e implementar medidas de vigilância,
fiscalização e de prevenção de conflitos em terras indígenas. (FUNAI,
2013).
O IPHAN é uma autarquia federal vinculada ao Ministério da Cultura,
responsável por preservar a diversidade das contribuições dos diferentes
elementos que compõem a sociedade brasileira e seus ecossistemas. Esta
responsabilidade implica em preservar, divulgar e fiscalizar os bens culturais
brasileiros, bem como assegurar a permanência e usufruto desses bens
para a atual e as futuras gerações. (IPHAN, 2013).
O Ministério Público da União “é uma Instituição independente que cuida da
proteção das liberdades civis e democráticas, buscando com sua ação assegurar e
efetivar os direitos individuais e sociais indisponíveis, como sua missão
constitucional (v. art. 127, da Constituição Federal)”. Cabe ao MP a defesa da ordem
jurídica, ou seja, deve zelar pela observância e pelo cumprimento da lei; defesa do
patrimônio nacional, do patrimônio público e social, do patrimônio cultural, do meio
ambiente, dos direitos e interesses da coletividade, especialmente das comunidades
indígenas, da família, da criança, do adolescente e do idoso; defesa dos interesses
sociais e individuais indisponíveis; controle externo da atividade policial. Trata-se da
investigação de crimes, da requisição de instauração de inquéritos policiais, da
promoção pela responsabilização dos culpados, do combate à tortura e aos meios
ilícitos de provas, entre outras possibilidades de atuação. Os membros do MPU têm
liberdade de ação tanto para pedir a absolvição do réu quanto para acusá-lo (MPU,
2013)
A licença ambiental é o documento, com prazo de validade definido, em que
o órgão ambiental estabelece regras, condições, restrições e medidas de controle
ambiental a serem seguidas. Entre as principais características avaliadas no
processo podemos ressaltar: o potencial de geração de líquidos poluentes (despejos
e efluentes), resíduos sólidos, emissões atmosféricas, ruídos e o potencial de riscos
de explosões e de incêndios (FIRJAN, 2004). Ao receber a Licença Ambiental, o
empreendedor assume os compromissos para a manutenção da qualidade
ambiental do local do empreendimento (FIRJAN, 2004).
O Licenciamento Ambiental é constituído por três licenças, cada uma delas é
requerida em etapas diferentes. Segundo o FEPAM (2013), elas são apresentadas a
seguir:
49

Licença Prévia (LP) - Licença que deve ser solicitada na fase de planejamento
da implantação, alteração ou ampliação do empreendimento. Aprova a
viabilidade ambiental do empreendimento, não autorizando o início das obras.

Licença Instalação (LI) - Licença que aprova os projetos. É a licença que
autoriza o início da obra/empreendimento. É concedida depois de atendidas
as condições da Licença Prévia.

Licença de Operação (LO) - Licença que autoriza o início do funcionamento
do empreendimento/obra. É concedida depois de atendidas as condições da
Licença de Instalação.
Vale ressaltar que a solicitação de qualquer uma das licenças deve estar de
acordo com a fase em que se encontra a atividade/ empreendimento: concepção,
obra, operação ou ampliação, mesmo que não tenha obtido anteriormente a Licença
prevista em Lei (FEPAM, 2013).
Após a emissão das licenças ambientais a empresa entra em fase de
acompanhamento da operação em que os órgãos ambientais poderão fazer vistorias
regulares para verificar o cumprimento das exigências pré-estabelecidas. Com isso,
se for determinado que as atividades não estão de acordo com o especificado, a
licença
pode
ser
cancelada
e
o
empreendimento
interditado.
Além
do
acompanhamento realizado existe um prazo de validade, estabelecido pelo órgão
ambiental, que varia de atividade para atividade de acordo com a tipologia, a
situação ambiental da área onde está instalada, e outros fatores (FIRJAN, 2004). O
(QUADRO 4) apresenta os prazos de validade das diversas licenças.
Prazo de validade das Licenças Ambientais
Licença
Prazo Mínimo
Prazo Máximo
O estabelecido pelo
LP
cronograma do projeto
Não Superior a 5 anos
apresentado
De acordo com o
LI
cronograma de
Não superior a 6 anos
instalação da atividade
LO
4 anos
10 anos
QUADRO 4 – PRAZO DE VALIDADE DAS LICENÇAS AMBIENTAIS
FONTE: FIRJAN (2004)
50
Mesmo tendo um procedimento padrão, esse processo de licenciamento
ambiental vem causando forte turbulência entre, setor privados, órgãos ambientais e
governo, criando dificuldades crescentes para obtenção da licença. Segundo Souza
(2009) a falta de diálogo entre as partes interessadas no curso do processo de
licenciamento cria uma série de ruídos, dúvidas, insatisfações e incompreensões
sobre o projeto. Sendo assim, as audiências públicas, obrigatórias nos processos de
licenciamento, podem ser transformadas em um espaço de embate e não de debate.
Esse instrumento de gestão ambiental é sempre noticiado como um entrave ao
desenvolvimento do país, com isso há um ambiente de crise formado. Sendo assim,
há um grande enfrentamento entre setores da sociedade da sociedade organizada
incluindo o Governo (SOUZA, 2009).
3.2.
SETOR ELÉTRICO BRASILEIRO
Acompanhando o crescimento econômico e populacional, o consumo de
energia elétrica deve aumentar nos próximos anos no Brasil. A indústria de energia
elétrica compreende todas as etapas relacionadas com o fornecimento de
eletricidade para consumidores finais, sendo assim, é possível segmentá-la
conforme as diferentes atividades realizadas comumente definidas como geração,
transmissão, distribuição e comercialização (CORREIA et al., 2006).
A geração do sistema elétrico brasileiro é fortemente pautada em fontes
renováveis, pois é muito dependente da hidroeletricidade, responsável, segundo a
ANEEL (2002), e segundo a IRN (2012) , além da hidroeletricidade, a energia
elétrica obtida através da biomassa (cogeração a partir do bagaço da cana-deaçúcar) e em menor medida do gás metano biológico obtido nos aterros, confere ao
país uma singular participação das energias renováveis.
Para garantir o crescimento e a necessidade de manutenção e expansão do
parque
energético
brasileiro,
existem
alguns
órgãos
responsáveis
pela
regulamentação, fiscalização, distribuição e transmissão de energia elétrica no país,
os quais serão apresentados a seguir:
A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) é uma autarquia em
regime especial vinculada ao Ministério de Minas e Energia, foi criada para
regular o setor elétrico brasileiro, por meio da Lei nº 9.427/1996 e do
Decreto nº 2.335/1997. A ANEEL iniciou suas atividades em dezembro de
1997, tendo como principais atribuições:
51

Regular a produção, transmissão, distribuição e comercialização de
energia elétrica;

Fiscalizar, diretamente ou mediante convênios com órgãos
estaduais, as concessões, as permissões e os serviços de energia
elétrica;

Implementar as políticas e diretrizes do governo federal relativas à
exploração da energia elétrica e ao aproveitamento dos potenciais
hidráulicos;

Estabelecer tarifas;

Mediar, na esfera administrativa, os conflitos entre os agentes e
entre esses agentes e os consumidores;

Por delegação do governo federal, promover as atividades relativas
às outorgas de concessão, permissão e autorização de
empreendimentos e serviços de energia elétrica (ANEEL, 2013).
A ANA, é uma autarquia sob regime especial, com autonomia administrativa
e financeira, vinculada ao Ministério do Meio Ambiente, além da função de
reguladora do uso da água bruta nos corpos hídricos de domínio da União,
tem a atribuição de coordenar a implementação da Política Nacional de
Recursos Hídricos, cuja principal característica é garantir a gestão
democrática e descentralizada dos Recursos Hídricos (ANA, 2013).
“O Ministério de Minas e Energia, órgão da administração federal direta,
representa a União como Poder Concedente e formulador de políticas
públicas, bem como indutor e supervisor da implementação dessas políticas
nos seguintes segmentos:
I - geologia, recursos minerais e energéticos;
II - aproveitamento da energia hidráulica;
III - mineração e metalurgia; e
IV - petróleo, combustível e energia elétrica, inclusive nuclear.
Cabe, ainda, ao Ministério de Minas e Energia:
I - energização rural, agroenergia, inclusive eletrificação rural, quando
custeada com recursos vinculados ao Sistema Elétrico Nacional; e
II - zelar pelo equilíbrio conjuntural e estrutural entre a oferta e a demanda
de recursos energéticos no País (MME, 2013).
“O Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) é o órgão responsável
pela coordenação e controle da operação das instalações de geração e
transmissão de energia elétrica no Sistema Interligado Nacional (SIN), sob a
fiscalização e regulação da Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel)”
(ONS, 2013).
52
O setor elétrico passou por duas grandes mudanças na metade da década
de 90. Em 1995, no contexto das reformas que permitiram o investimento privado
em setores até então restritos a investimentos e gestão estatal, ocorreu a primeira
reformulação e em 1996 a lei 9.074/95 que tratou das concessões e permissões de
serviços públicos e o decreto 2003/96 que regulamentou a produção de energia
elétrica por produtor independente e autoprodutor promoveram uma série de
transformações no setor de geração de energia elétrica (SOUZA, 2009).
Tendo em vista essas mudanças ocorridas na regulamentação e as crises
financeiras que atingiram o país, esse passou por um momento de recessão no
setor elétrico. A crise de 2001 , onde houve um déficit de energia, sendo necessárias
intervenções de emergência, foi um choque importante para o governo, para a
economia nacional e para a sociedade (NEVES, 2009).
Com esses problemas e visando o aumento na demanda energética
nacional, entre 2003 e 2004 o governo federal lançou as bases de um novo modelo
para o Setor Elétrico Brasileiro, sustentado pelas Leis nº 10.847 e 10.848, de 15 de
março de 2004, e pelo Decreto nº 5.163, de 30 de julho de 2004 (BARREIRO
JUNIOR, 2008). O novo modelo definiu a criação de uma entidade responsável pelo
planejamento do setor elétrico a longo prazo, a Empresa de Pesquisa Energética
(EPE); uma instituição com a função de avaliar permanentemente a segurança do
suprimento de energia elétrica, o Comitê de Monitoramento do Setor Elétrico
(CMSE); e uma instituição para dar continuidade às atividades do Mercado
Atacadista de Energia (MAE), relativas à comercialização de energia elétrica no
Sistema Interligado, a Câmara de Comercialização de Energia Elétrica (CCEE)
(BARREIRO JUNIOR, 2008). Além da criação dessas instituições esse novo modelo
busca garantir a segurança do suprimento de energia elétrica; promover a
modicidade tarifária; promover a inserção social no Setor Elétrico Brasileiro, em
particular pelos programas de universalização de atendimento.
A comercialização da energia no Brasil é feito por meio de leilões de compra
e venda que devem ser realizados pela CCEE, assim como esta instituição deve
definir o preço mínimo de mercado para a energia elétrica para o efeito de leilão.
É interessante notar que na maioria dos mercados e, particularmente no
setor de energia elétrica, a competição é limitada e o desenho do leilão, embora não
possa superar completamente isso, deve buscar reduzir as possibilidades de
53
manipulação artificial do preço que resultem em uma transferência de renda por
poder de mercado (CORREIA et al., 2006).
Os leilões de energia têm periodicidade anual e segundo Rego (2012) são
apresentados em duas modalidades de contratação, em função do estágio de
desenvolvimento
dos projetos:
leilões de
energia
elétrica
proveniente de
empreendimentos de geração existente — leilões de energia velha - e leilões de
energia elétrica provenientes de novos empreendimentos – leilões de energia nova.
O objetivo de tais leilões é propiciar a possibilidade, por parte das
distribuidoras, de contratação antecipada de energia para o atendimento pleno de
sua demanda estimada três a cinco anos à frente (MARTINS, 2008). Os leilões são
promovidos sempre no intuito de assegurar o suprimento de energia em um ano
determinado (denominado ano “A”). Assim, para a compra de energia nova, os
leilões serão realizados nos anos A menos 5 anos (A-5) e A menos 3 anos (A-3) o
objetivo desses leilões é complementar a energia existente para suprir a demando
futura, enquanto que para a compra energia velha A menos 1 ano (A-1) cujo objetivo
é suprir a demanda atual (REGO, 2012).
Apesar de o leilão criar condições para benefício do bem público, várias
alterações ocorrem com relação aos dados de leilão, encarecendo o processo em
detrimento das condições especificadas e essas mudanças nas condições alteram a
atratividade do empreendimento aumentando riscos do processo (MARQUES
FILHO, 2012).
Com essa maior organização e regulamentação foram observadas um
crescimento tanto na geração de energia quanto das linhas de transmissões.
Segundo a EPE, entre 1996 e 2002 havia um crescimento médio de 1.562 km a.a, já
entre os anos de 2003 e 2009 esse crescimento médio foi de 3.646 km a.a
(TOLMASQUIM, 2008).
Juntamente com os dados já apresentados podemos observar nos
(QUADROS 5 e 6) o predomínio da matriz hidráulica na produção de energia
elétrica, assim como a importância do SIN para o Brasil. Observa-se grande parte
da oferta de eletricidade está interligada, evitando que se configurem possíveis
apagões por problemas sejam natureza hídrica de outra natureza em regiões
isoladas do país.
54
QUADRO 5 – OFERTA INTERNA DE ENERGIA ELÉTRICA
FONTE: MME (2012)
QUADRO 6 – CONFIGURAÇÃO DA OFERTA DE ELETRICIDADE POR FONTE
FONTE: MME (2012)
Na (FIGURA 12) é apresentado o histórico da matriz elétrica do Brasil, onde
pode-se observar o crescimento da energia de fontes renováveis (hidráulica e
eólica).
55
FIGURA 12 – HITÓRICO DA MATRIZ ELÉTRICA
FONTE: LUNA E VETTORAZZO (2013)
O sistema elétrico brasileiro é fortemente dependente da disponibilidade
hídrica de médios e longos prazos, para a produção de energia firme. O grande
desenvolvimento da hidroeletricidade no Brasil se deu entre 1975, quando a
capacidade instalada era de 18.500 Megawatts, e 1985, quando passou para 54.000
Megawatts, a partir de então, a construção de barragens tornou-se mais difícil
devido à crise econômica e ao endividamento, assim como ao crescimento das
críticas às barragens em face dos impactos sociais e ambientais causados (DA
SILVA, 2002). O país ainda possui grande possibilidade de ampliação do sistema
uma vez que segunda a ANEEL (2002) o potencial hidrelétrico brasileiro é estimado
em cerca de 260 GW, sendo que apenas 63% desse potencial foi inventariado,
conforme já mencionado.
Visto esta grande dependência da hidroeletricidade para fornecimento de
energia elétrica no país e sabendo que a geração está intrinsicamente ligada ao
regime de chuvas foi necessário criar o Sistema Interligado Nacional – SIN. Segundo
da Silva (2012) é um sistema de transmissão que permite otimizar e racionalizar a
geração e o uso da energia elétrica no Brasil, uma vez que conecta regiões com
regimes hidrológicos distintos, possibilitando a utilização da energia gerada em uma
região com excedente hídrico em outra que está passando por uma situação de
escassez.
56
A interligação cada vez mais efetiva do sistema de geração hidrelétrica reduz
consideravelmente os riscos de não atendimento da demanda, porém a maioria das
hidrelétricas está localizada na Bacia Hidrográfica do Paraná, e com isso mais de
55% da capacidade instalada está sujeita às mesmas variabilidades climáticas, com
isso a integração com outras fontes de energia e empreendimentos em diversas
escalas reduz essa forte dependência dos rios juntamente com a variabilidade do
clima (FREITAS e SOITO, 2008). Teoricamente a geração termelétrica complementa
a geração de energia hidrelétrica, reforçando a segurança do sistema, evitando
déficit de energia durante as secas ou para atender os picos de demanda. No
entanto, embora seja desejável ter esse tipo de complementaridade na matriz
elétrica, esta deve ser implementada dentro do planejamento setorial e não em
virtude da dificuldade de se fazer projetos hidrelétricos (NEVES, 2009).
Segundo Freitas e Soito (2008) proliferam as pequenas usinas colocadas em
córregos e quedas d’água, o aproveitamento de resíduos da biomassa, as fazendas
de geração eólica nas regiões costeiras e as turbinas derivadas da aviação,
abastecidas por gás natural, e que podem ser instaladas em prédios. O investimento
em PCH’s é muito interessante, pois possibilita que a rede de hidroeletricidade se
torne mais diversificada e espalhada, evitando a concentração de muitos
aproveitamentos na mesma região.
Sabendo das dificuldades que o setor energético brasileiro enfrentou, hoje,
são realizados dois planos para o planejamento do setor, elaborados em conjunto
pela EPE e pelo MME, são o Plano Nacional de Energia (PNE) – 2030 e o Plano
Decenal de Expansão de Energia (PDE). O PNE possibilita uma estratégia de
expansão da oferta de energia econômica e sustentável com vistas a atendimento
do crescimento da demanda. Já PDE possibilita uma visão integrada da expansão
da demanda e da oferta de diversas alternativas energéticas. Ambos servem de
instrumento de planejamento para o setor energético nacional, contribuindo para o
delineamento das estratégias de desenvolvimento do país a serem traçadas pelo
Governo Federal.
Segundo Tolmasquim (2008), visando o futuro do sistema elétrico brasileiro
e sabendo do crescimento econômico e demográfico, é muito importante a
manutenção da participação de energias renováveis na matriz, assim como uma
maior diversificação desta matriz, aumentando a particiáção de cana-de-açucar e
gás natural (FIGURA 13).
57
FIGURA 13 – PERSPECTIVA PARA MAIOR DIVERSIFICAÇÃO DA MATRIZ ENERGÉTICA E
AUMENTO DA PARTICIÁÇÃO DA CANA-DE-AÇUCAR E DO GÁS NATURAL
FONTE: TOLMASQUIM (2008)
Resumindo, a produção de energia elétrica brasileira atual e futura depende
fortemente da energia hidráulica e do projeto de barragens. A discussão dos
conceitos de barragens de concreto se mostra oportuna, tanto para o
desenvolvimento de novos projetos, quanto para a manutenção dos existentes.
3.3.
TIPOS DE BARRAGEM
Historicamente, as barragens têm permitido que as pessoas coletassem e
armazenassem água em períodos chuvosos para que pudessem usá-la nos
períodos de seca, sendo assim, elas têm sido essenciais para o estabelecimento e o
sustento de cidades e fazendas, e para o abastecimento de alimentos por meio da
irrigação de plantações (ICOLD – CIGB, 2008).
A criação de reservatórios artificiais gerou a concepção de vários tipos de
barragens, que geram naturalmente desníveis consideráveis de água nos
aproveitamentos hidráulicos (MARQUES FILHO, no prelo). As barragens são
definidas como barreiras ou estruturas que cortam córregos, rios ou canais para
58
controlar o fluxo da água, podendo variar desde pequenos maciços de terra até
enormes estruturas de concreto (ICOLD – CIGB, 2008). Segundo Marques Filho
(2005) é necessário que continuem os estudos dos materiais e novas técnicas de
construção para empreendimentos hidráulicos, pois apesar da grande quantidade de
reservatórios já existentes, o aumento populacional atrelado à busca da melhoraria
de qualidade de vida por todos os indivíduos, assim como o aumento da procura por
energia pressionam as reservas de água para consumo humano, agropecuário e
industrial.
A escolha do tipo de barragem dependerá, principalmente, da existência de
material qualificado para sua construção, dos aspectos geológicos e geotécnicos, e
da conformação topográfica do local da obra. Além desses fatores outros também
são de extrema importância: a disponibilidade de solo ou rocha com qualidade e
quantidades adequadas; a natureza das fundações; as condições climáticas que
podem dificultar a construção de determinados tipos (MME, 2007).
As barragens são classificadas conforme o material usado em sua
construção.
As principais soluções de barramentos a serem utilizadas nos arranjos
hidráulicos podem ser divididas em barragens com corpo executado em
materiais soltos ou em concreto, sendo que a solução final depende de
avaliação técnico-econômico-ambiental considerando o empreendimento
como um todo. A escolha de um tipo de barragem em um aproveitamento
hidráulico depende, obviamente, de condicionantes de custo, prazo e
qualidade técnica, sendo que esta última depende da tecnologia existente,
através da evolução da teoria da segurança, dos modelos estruturais e dos
processos construtivos (SHARMA, 1981; CREAGER et al., 1965; GRISHIN,
1981; VARLET, 1972; FUSCO, 1976 apud MARQUES FILHO, 2005).
As principais alternativas de barragens são as de gravidade, as em arco e as
de aterro. Cabe destacar que as barragens de aterro podem ser compostas por mais
de um material e que geralmente recebem uma camada ou núcleo para evitar a
percolação de água. As (FIGURAS 14, 15 e 16) mostram esses três principais tipos
de barragens encontradas em todo mundo.
59
FIGURA 14 – CORTE TRANSVERSAL DE UMA BARRAGEM EM ATERRO
FONTE: ICOLD-CIGB (2008)
FIGURA 15 – CORTE TRANSVERSAL DE UMA BARRAGEM DE GRAVIDADE
FONTE: ICOLD-CIGB (2008)
60
FIGURA 16 – CORTE TRANSVERSAL DE UMA BARRAGEM EM ARCO
FONTE: ICOLD-CIGB (2008)
Outros tipos de barragens que são utilizados: alvenaria; enrocamento com
face de concreto; enrocamento com face de asfalto; enrocamento com núcleo de
asfalto; arcos múltiplos; arcos de dupla curvatura; gravidade aliviada; contrafortes.
Para um empreendimento hidráulico, além da escolha do tipo de barragem
que é importantíssima, é necessário que o local onde a obra será implantada seja
muito estudado, pois ele desempenha papel fundamental na capacidade do
empreendimento, nos impactos gerados e também na definição do tipo de barragem
(MME, 2007). Cada local escolhido para uma barragem é único, com condições
topográficas, geológicas e hidrológicas particulares, sendo assim nenhum local é
igual a qualquer outro, a concepção de um determinado arranjo é uma arte,
normalmente resultado de um processo iterativo, onde varias opções são
concebidas, dimensionadas e orçadas para chegar a melhor solução (MME, 2007).
Por definição, o melhor arranjo para um determinado aproveitamento hidrelétrico é
61
aquele que consegue posicionar todos os elementos do empreendimento de
maneira a combinar a segurança requerida pelo projeto e as facilidades de operação
e manutenção com o custo global mais baixo (MME, 2007).
Como as barragens são parte crítica e essencial de nossa infraestrutura,
elas devem cumprir certos requisitos técnicos e administrativos para garantir sua
operação segura, eficaz e econômica. Segundo o ICOLD – CIGB (2008), alguns
desses requisitos são: as barragens, suas fundações e seus encontros devem ser
estáveis sob todas as condições de carga (níveis dos reservatórios e terremotos); as
barragens
e
suas fundações devem
ser
suficientemente
vedadas
e
ter
procedimentos adequados de controle de percolação e vazamentos para garantir a
operação segura e para manter a capacidade de armazenamento; as barragens
devem ter borda livre suficiente para evitar transbordamento de ondas e, no caso de
barragens de terra devem incluir uma margem para recalque da fundação e do
maciço; as barragens devem ter capacidade suficiente de vertimento da vazão para
evitar transbordamento dos reservatórios em casos de enchentes manual de
operação e manutenção; é necessária uma instrumentação adequada para
monitoramento de desempenho; é preciso que haja um plano de monitoramento e
observação das barragens e demais estruturas; é necessário um plano de ação
emergencial; importante o apoio ao meio ambiente natural; cronograma de
inspeções periódicas; revisões abrangentes, avaliações e modificações, conforme
seja apropriado.
3.4.
ANÁLISE DE RISCO E SEGURANÇA DE BARRAGENS
Como já extensamente discutido neste trabalho, nesta primeira década do
século XXI, questões como o aproveitamento dos recursos hídricos e a geração de
energia afiguram-se como temas centrais do desenvolvimento das nações,
evidenciando a importância das obras de engenharia civil a elas associadas, com
destaque para as barragens. Assiste-se também a uma maior sensibilização das
populações para o risco que as barragens representam e para o impacto ambiental
associado, sendo assim um tema da sociedade em geral, para além de meramente
técnico ou econômico. As barragens são estruturas que apresentam um risco
potencial elevado, motivo pelo qual os regulamentos de segurança prescrevem
62
atividades de acompanhamento e observação, por instrumentação, inspeção visual
ou ensaios específicos (BRETAS et al., 2010)
Segundo Kochen (2009), as rupturas de barragens de concreto quase sempre
estão relacionadas com problemas na fundação, Um exemplo de gestão inadequada
de ricos geológicos/geotécnicos é o rompimento da barragem de Camará, onde
segundo Kanji (2004) houve uma falha na ombreira esquerda, devido a elevada
subpressão e baixo ângulo de atrito disponíveis, e também evidencia que a ruptura
se deu pela fundação e não pelo corpo da barragem. Esse acidente vitimou 5
pessoas.
Hoje algumas tendências do setor de barragem as quais muitas vezes são
prejudiciais para a boa execução e operação do empreendimento podem ser
analisadas. A tendência de contratos globais, condições de contrato unilaterais,
cronogramas apertados, orçamentos financeiros baixos, e uma competição leonina
instalada no país aumentam significativamente o potencial de risco, assim como
gera necessidade de procedimentos pró-ativos de gerenciamento de riscos
(MARQUES FILHO, 2012). Segundo Medeiros (2009) após a celebração do contrato
é possível o uso de procedimentos técnicos e administrativos inadequados, já que a
contratação e a subcontratação são realizadas somente pelo critério de menor
preço.
Tendo em vista os desastres e as tendências apresentadas acima fica
evidente a necessidade de que haja um controle de riscos muito apurado para
empreendimentos hidráulicos. A segurança de uma barragem é sua capacidade de
satisfazer as exigências do comportamento relativas a aspectos estruturais,
hidráulicos, operacionais e ambientais, de modo a evitar a ocorrência de acidentes
ou incidentes ou minorar suas consequências ao longo da vida útil (RSB, 2007 apud
PINTO, 2008).
A análise de risco é importante tanto para novos empreendimentos como
para as obras já existentes, pois ajudam a garantir o seu funcionamento adequado
conforme preconizados pela Lei de Segurança de Barragem. Segundo Pinto (2008),
a análise de riscos é um conjunto entre a identificação de acontecimentos
indesejáveis, análise das causas desses acontecimentos e a determinação das
respostas das estruturas e suas respectivas consequências. O risco de barragens
pode ser medido pelo Método LCI (Localização, Causa e Indicadores de falha),
primeiro é feito a avaliação das potenciais consequências e suas análises e depois a
63
identificação e avaliação dos modos de ruptura (PIMENTA, 2008 apud PINTO,
2008). Esse risco precisa ser mensurado de alguma maneira, segundo PINTO
(2008) calcula-se o índice de impacto global que é uma combinação ponderada do
potencial de perdas de vidas humanas e perdas econômicas, cuja utilidade é a
comparação com outros possíveis acidentes. Kochen (2009) salienta a necessidade
de que para uma analise de riscos de uma barragem sempre estejam presentes a
classificação da barragem, que seja feita uma inspeção no local, que seja feita uma
análise critica de todas as etapas do projeto até de sua manutenção.
Devido à grande necessidade da análise de riscos e em conjunto o fato de
que a maioria das barragens de concreto rompe por problemas na fundação, ou
seja, problemas geológicos/geotécnicos cabe fazer um parênteses para os principais
riscos relacionados à esse tópico. Medeiros (2009) evidencia os principais
problemas geotécnicos como erros de estimativas, divergências entre plantas e a
topografia real, erros de estimativas de volumes e também na escolha das jazidas,
dificuldade de obtenção de agregados e ocorrência de solos moles assim como
planos de fraquezas e/ou instabilidade na fundação das ombreiras. Sendo assim o
acompanhamento dos serviços assim como a elaboração de um bom programa de
investigações são fundamentais para que a barragem desenvolva seu propósito sem
apresentar problemas.
Sabendo da necessidade de abastecimento de energia para toda a
população brasileira assim como todos os riscos envolvendo os empreendimentos
hidráulicos, juntamente com a detalhada análise de riscos sempre foi necessária a
criação de uma lei de segurança para que fossem garantidas a manutenção e
possível necessidade de contingencia de crise ou acidente.
Por diversas vezes o CBDB (Comitê Brasileiro de Barragens), o IBRACON
(Instituto Brasileiro do Concreto) e a ABMS (Associação Brasileira de Mecânica dos
Solos e Engenharia Geotécnica) fizeram recomendações de interesse público sobre
a gestão de seguranças de barragens no Brasil (MARQUES FILHO, 2012). Esse
documento emitido por essas duas entidades previam que o Governo estabeleça um
Programa Nacional de Segurança de Barragens no qual os agentes técnicos e
financeiros estejam envolvidos assim como os órgãos responsáveis pela outorga,
concessão, controle e fiscalização aprimorem seus procedimentos. Além dessas
sugestões também requeria que a Defesa Civil intensificasse a prevenção de
incidentes e acidentes de barragens e uma outra proposta muito importante é a de
64
que as Universidades e escolas técnicas adequem seus programas à cultura de
segurança de barragens (MEDEIROS, 2009)
Assim sendo foi criada em 2010 a Lei 12.334/10 que estabelece a Política
Nacional de Segurança de Barragens (PNSB) e cria o Sistema Nacional de
Informações sobre Segurança de Barragens (SNISB). Segundo se Artigo quinto a
fiscalização da segurança de barragens caberá, sem prejuízo das ações
fiscalizatórias dos órgãos ambientais integrantes do Sistema Nacional do Meio
Ambiente (Sisnama) (NUNES, 2011).
A ANA (Agência Nacional de águas) passou a fiscalizar a segurança de
barragens daquelas outorgáveis por ela sendo assim os regulamentos emitidos pela
ANA só tem eficácia nas barragens cuja fiscalização cabe ao órgão (NUNES, 2011).
Assim sendo, foi criado um Plano de Segurança de Barragens formado por cinco
volumes: Informações gerais; Planos e Procedimentos; Registros e Controle; Plano
de ações de emergência; Revisões periódicas de Segurança de Barragens que são
ações para garantir a manutenção. Vale salientar que as inspeções de segurança
regular e especial terão a sua periodicidade, a qualificação da equipe responsável, o
conteúdo mínimo e o nível de detalhamento definidos pelo órgão fiscalizador em
função da categoria de risco e do dano potencial associado à barragem.
65
4. BARRAGENS DE CONCRETO À GRAVIDADE
A utilização do concreto como material de construção de barragens de
aproveitamentos hidráulicos ocorre a mais de 120 anos, permitindo a obtenção de
um banco de dados confiável sobre o comportamento deste tipo de obra
(MARQUES FILHO, 2005).
Mais precisamente, em barragens sua utilização começou a se desenvolver
na segunda metade do século XX, porém os projetos eram realizados utilizando
métodos empíricos baseados em estruturas semelhantes de alvenaria e sem
cuidados com o controle dos materiais utilizados. No Brasil a construção de
barragens de concreto se desenvolveu a partir dos anos 60, e depois dos anos 80
perdeu força para outras alternativas (MARQUES FILHO, 2005)
Devido à utilização do concreto em empreendimentos hidráulicos nos últimos
120 anos, os modelos de comportamento são bem conhecidos, balizados pela
instrumentação e monitoramento de obras existentes (MARQUES FILHO e ISAIA,
2011).
O projeto civil das barragens de concreto é multidisciplinar, envolvendo
diversas áreas: a hidrologia, a hidráulica, a mecânica das rochas e a engenharia de
estruturas (GUTSTEIN, 2011).
As barragens de concreto adotam cinco tipos de soluções básicas:
barragens de concreto a gravidade, a gravidade aliviada, arco-gravidade, em arco e
em contrafortes. Nas barragens de concreto a gravidade, grosseiramente, as ações
geradas pelo reservatório têm como fator estabilizante o peso próprio da estrutura,
utilizando como critério de resistência as envoltórias de Mohr-Coulomb em modelos
cujo comportamento predominante pode ser caracterizado grosseiramente pela
seção transversal em balanço (MARQUES FILHO, no prelo). As barragens são
estruturas assimétricas e tridimensionais, construídas a partir de materiais
complexos com propriedades físicas não uniformes e anisotrópicas. Isto reflete na
interacção da barragem com a sua base e na resposta aos esforços estruturais
(NOVAK et al., 2004).
Em todas estas soluções estão associados volumes expressivos de
concreto, gerando preocupações quanto a fissuração gerada pelos
fenômenos termogênicos da hidratação do cimento, cujos malefícios são
potencializados na presença da água do reservatório. Na evolução do
concreto para utilização em estruturas de grande porte surgiu o conceito de
concreto massa, que exige medidas para controlar a geração de calor e a
66
variação de volume decorrente, a fim de minimizar a sua fissuração (CBGB
et al., 1989;PACELLI DE ANDRADE et al., 1997, apud MARQUES FILHO,
2005, pg. 3).
Estruturas onde há altas gerações de calor estão susceptíveis a criarem um
panorama de tensões devido oscilações volumétricas, com isso fissurações podem
ocorrer levando em risco a segurança da barragem assim como sua durabilidade
(KEPERMAN E ISAIA, 2005).
As barragens à gravidade têm sua estabilidade garantida principalmente pelos
esforços de gravidade, ou seja, seu peso próprio (DE BARROS et al., 2011). Sendo
assim o perfil de uma barragem à gravidade é essencialmente triangular, para
assegurar a estabilidade e a fim de evitar a sobrecarga da barragem ou a sua
fundação. Algumas barragens de gravidade são suavemente curvas no plano por
razões estéticas ou por necissidades hidráulicas ou econômicas, e sem colocar
qualquer desconfiança em sua estabilidade (NOVAK et al., 2004). Com isso,
sabendo de sua complexibilidade e multidisciplinaridade, o perfil transversal deverá
satisfazer a duas principais condições: as tensões atuantes devem estar dentro de
limites pré-estabelecidos e proporcionar estabilidade para o corpo da barragem,
suportando o deslizamento na fundação, paralelamente à essas observações devese buscar uma seção ótima para garantir a estabilidade e um menor gasto de
concreto possível (GUTSTEIN, 2011).
A (FIGURA 17) apresenta uma seção transversal típica de uma barragem à
gravidade e (FIGURA 18) uma seção longitudinal.
Galerias de drenagem
Concreto Permeável
Falhas e fraturas
Empuxo
FIGURA 17 – SEÇÃO TRANSVERSAL DE UMA BARRAGEM DE CONCRETO A GRAVIDADE
FONTE: MARQUES FILHO (2012)
67
Juntas de
contração
Galerias de
Drenagem
FIGURA 18 – VISTA DE JUSANTE DE UMA BARRAGEM DE CONCRETO A GRAVIDADE
FONTE: MARQUES FILHO (2012)
Algumas características das obras civis de barragens são bem importantes
de serem apresentadas. Há interação permanente entre projeto e métodos
construtivos, devendo ser utilizado com muito cuidado os equipamentos e materiais,
assim como o clima também interfere bastante na construção e planejamento. A
estrutura de uma barragem é maciça, sendo assim o peso próprio e a termogênese
do concreto são bastante importantes no projeto. Pelos grandes volumes existentes,
há uma dificuldade de execução, bem como devem ser tomados cuidados com as
reações deletérias. O controle de qualidade precisa ser muito rigoroso, pois, além de
prazos apertados correlacionados com custo altíssimos, deve-se focar na segurança
do processo. Tal controle também é fundamental, pois em barragens de concreto os
modelos são complexos, as normas para edificações com difícil aplicação, as
análises de segurança são bastante sofisticadas assim como a geologia do local
interfere com as formas (MARQUES FILHO, 2012).
Assim, uma extensa campanha de sondagens e investigações geotécnicas é
fundamental na fase de projeto. Devem ser executados furos, trincheiras, galerias e
investigações geofísicas, de modo a caracterizar o mais amplamente possível o
subsolo e as ombreiras. As estruturas devem ser sempre assentadas em rochas
com adequadas características mecânicas para suportar a carga vertical e conferir
estabilidade contra esforços de cisalhamento e deslizamento (DE BARROS et al.,
2011).
68
Segundo de Barros et al. (2011) as barragens de gravidade são
classificadas, em termos estatísticos, levando em conta suas alturas estruturais.
Define-se altura estrutural como a diferença, em elevação, entre a crista da
barragem (a elevação da pista de rolamento ou do passeio, caso não exista pista) e
o ponto mais baixo da fundação, excluindo-se eventuais zonas de falhas. Desse
modo, considera-se o seguinte critério (U.S. Bureau of Reclamation):

Barragens baixas — até 30 m de altura;

Barragens médias — de 30 a 90 m de altura;

Barragens aftas — acima de 90 m de altura.
A escolha da solução de barramento não é nenhum pouco simples,
implicando a interatividade de diversas áreas e análise muito criteriosa. Segundo
Marques Filho (2012), a escolha envolve a mitigação dos riscos, capacidade
executiva minimização da interferência ambiental, avaliação econômico-financeira
holística, levando em conta o arranjo físico geral e o cronograma de obras com
possíveis antecipações de receita. Todos esses aspectos precisam ser satisfeitos
simultaneamente, por isso diversos arranjos são estudos para se chegar à solução
ideal.
A integridade estrutural de uma barragem deve ser mantida em toda a gama
de circunstâncias ou acontecimentos que podem surgir em serviço (NOVAK et al.,
2004). O arranjo é, portanto, determinado através da análise conjunta de todas as
condições de carregamento, e portanto, a estabilidade da barragem e fundação deve
ser assegurada em todas as circunstâncias (NOVAK et al., 2004).
4.1.
VERIFICAÇÃO DA SEGURANÇA
Até meados do séc. XIX, o projeto de barragens seguia modelos empíricos
em que as secções transversais adotadas apresentavam grande volume, pois eram
a seguiam a risca o principio da contenção do reservatório pela massa da barragem
(BRETAS et al., 2010).
69
Durante a segunda metade do séc. XIX surgiram os primeiros trabalhos
científicos nesta área. Os trabalhos produzidos por Sazilly, Delocre e Rankine
devem ser referidos como os mais influentes, pois foram decisivos no
desenvolvimento tecnológico, pois com base num melhor conhecimento da
resistência dos materiais, das solicitações e dos mecanismos de ruptura, permitiam
obter obras igualmente seguras, mas com considerável redução do volume de
material (BRETAS et al., 2010).
Com essa evolução, muitos estudos foram feitos, e juntamente com a
evolução da tecnologia novas técnicas foram empregadas, sempre tentando manter
a segurança da barragem, ou seja, garantindo sua estabilidade e durabilidade. Os
estudos foram voltados tanto para a área dos materiais utilizados como também
para os métodos construtivos e técnicas para aliviar tensões na base.
4.1.1. Tipos de concreto utilizados
4.1.1.1.
Concreto Massa
O primeiro registro de controle tecnológico de concreto foi nos Estados
Unidos da América ocorreu em 1888, na Barragem de Crystal Springs, na Califórnia.
A tecnologia inicialmente incipiente, foi desenvolvida com a evolução contínua dos
materiais utilizados e o aperfeiçoamento da técnica de construção; e, também, foram
sendo estudados os fenômenos de permeabilidade do concreto e da fissuração
térmica (MARQUES FILHO e ISAIA, 2011).
O concreto massa é definido como aquele que ao ser aplicado à uma
estrutura requer cuidados com seu comportamento térmico, para evitar que fissuras
surjam devido à esse comportamento (KUPERMAN E ISAIA, 2005). As primeiras
utilizações de concreto massa no Brasil datam do inicio do século XX, quando várias
barragens de concreto à gravidade foram construídas (KUPERMAN E ISAIA, 2005).
A evolução da tecnologia de concreto aplicada aos aproveitamentos hidráulicos teve
grande impulso a partir do final da década de 50, coincidindo com o esforço de
industrialização do país. Um marco importante do desenvolvimento técnico do
70
concreto massa foi a construção da Usina Hidrelétrica Ilha Solteira (MARQUES
FILHO e ISAIA, 2011).
A evolução da tecnologia de concreto aplicada às barragens de concreto e
estruturas complementares levou a diminuição contínua dos consumos de cimento,
com o desenvolvimento de critérios de dosagem e de controle de qualidade efetivos.
(MARQUES FILHO, 2005).
A (FIGURA 19) apresenta uma vista geral da barragem de Itaipú, construída
parte em concreto massa.
FIGURA 19 – USINA DE ITAIPU
FONTE: ITAIPU (2013)
Projetistas e construtores de grandes barragens foram os primeiros a
reconhecer a importância da elevação da temperatura no concreto devido ao calor
de hidratação, gerando fissuras devido à retração proveniente de seu resfriamento.
(MEHTA e MONTEIRO, 2008) O aumento da temperatura é uma consequência
direta da evolução do calor de hidratação do cimento, e essa retração é causada
pelo fato do concreto ter a tendência de equiparar a sua temperatura com a
temperatura ambiente, resultando em um gradiente térmico (FUNAHASHI e
KUPERMAN, 2010). Essas fissuras causadas pelas tensões de tração oriundas da
queda de temperatura prejudicam tanto a capacidade estrutural quanto a
71
durabilidade da estrutura, além da possibilidade de ocorrer infiltrações por essas
fissuras prejudicando o desempenho da estrutura (FUNAHASHI e KUPERMAN,
2010).
O controle das variações volumétricas é feito através do controle da
temperatura de lançamento, cura com pós-refrigeração, dosagens adequadas,
limitação da altura das camadas e de seus intervalos de lançamento, e pelo
dimensionamento de juntas de contração, que são complementadas por dispositivos
de vedação e quando necessário chavetas ou almofadas (MARQUES FILHO, 2005).
Os parâmetros básicos que influenciam no projeto e na análise de
estruturas de concreto massa em geral são: tipo de cimento (calor de
hidratação do cimento); consumo de cimento por m³ de concreto (elevação
adiabática da temperatura do concreto); litologia do agregado (difusividade
térmica); temperatura ambiente; temperatura de lançamento do concreto
fresco; geometria da estrutura de concreto; altura das camadas de
concretagem; intervalo de lançamento das camadas de concretagem e
transmissão superficial de temperatura (tipo de cura e fôrmas)
(FUNAHASHI; KUPERMAN, 2010, pg 2).
Sabendo que a escolha do tipo de cimento para obras de grande porte será
determinada, obviamente, pela disponibilidade cotejada contra os custos de
transporte, pois este tipo de empreendimento geralmente está localizado em regiões
afastadas dos grandes centros urbanos, cabe a tentativa da busca pelo cimento
disponível com menor calor de hidratação de preferência cimentos com adição de
materiais pozolânicos, pois esse, além de reduzir o calor de hidratação desse tipo de
material, melhora a trabalhabilidade e ajuda a inibir reações deletérias (MARQUES
FILHO e ISAIA, 2011).
Sabendo da necessidade de um concreto que respeite todas as
características já pré-estabelecidas, é muito importante que se tome muito cuidado
com as escolhas dos constituintes desse concreto e sua dosagem. Segundo Mehta
e Monteiro (2008) através de diversos métodos é possível atingir consumos baixos
de cimento, até 100 kg/m³, com isso é essencial a utilização de aditivos e adições.
Geralmente, para reduzir a quantidade de água necessária, são utilizados de 4 a 8%
de ar incorporado à mistura de concreto, assim como aditivos redutores de água
estão sendo cada vez mais utilizados, paralelamente são utilizadas pozolanas para
substituir parcialmente o cimento e assim reduzir o calor de hidratação (MEHTA e
MONTEIRO, 2008). Assim como há essa preocupação com a quantidade de cimento
e as adições e aditivos utilizados, também é necessário um cuidado com os
72
agregados utilizados, sendo assim busca-se a utilização da maior quantidade
possível de agregados graúdos (MEHTA e MONTEIRO, 2008).
O processo construtivo de barragens de concreto é complexo, tendo
cronogramas de execução em geral superiores a um ano (MARQUES FILHO, no
prelo). Cada lançamento efetuado inicia durante o processo de endurecimento o
desencadeamento da geração de calor pela reação de hidratação, recebendo
restrições das camadas anteriores, cada uma com sua característica de resistência,
módulo de elasticidade, coeficientes de fluência que variam com o tempo; e também,
gerando continuamente calor (MARQUES FILHO, 2005).
Os estudos térmicos consistem em análises de temperaturas oriundas da
liberação de calor gerada pela hidratação dos compostos do cimento e das tensões
geradas pela retração térmica do concreto, basicamente dividem-se em duas
etapas: cálculo das evoluções de temperaturas do concreto e análise das tensões
e/ou deformações térmicas resultantes na estrutura quando de seu resfriamento
(FUNAHASHI e KUPERMAN, 2010).
Na prática, os principais desafios do projeto de estruturas de concreto massa
são a maximização da espessura das camadas de concreto e a minimização do
tempo de lançamento entre elas, sem resultar na ocorrência de um quadro
fissuratório (FUNAHASHI e KUPERMAN, 2010).
A (FIGURA 20) apresenta o campo de temperaturas simulado via Método
dos Elementos Finitos em seção de barragem de concreto à gravidade.
FIGURA 20 – MODELO DE DIMENSIONAMENTO EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA E ANÁLISE
GRÁFICA DAS VARIAÇÕES VOLUMÉTRICAS
FONTE: MARQUES FILHO (2012)
73
Além da utilização de menos cimento, aditivos e adições especiais para
tentar controlar o calor de hidratação existem técnicas tanto de pré-resfriamento
como de pós-resfriamento, para tentar conter esse calor gerado. Essas técnicas
começaram e serem utilizadas nas décadas de 1930 e 1940.
A principal técnica de pós-resfriamento é a circulação de água fria através de
tubos de aço com paredes finas embutidos previamente no concreto, tipicamente os
tubos tem 25 mm de diâmetro e 1,5 mm de espessura, o espaçamento entre os
tubos e as espessuras das camadas variam para limitar a temperatura máxima à um
nível projetado (MEHTA e MONTEIRO, 2008).
Como medidas para o pré-resfriamento são utilizadas as seguintes técnicas:
utilização de gelo como parte da água de amassamento, para limitar a temperatura
do concreto fresco; o resfriamento dos agregados seja com água fria ou com
nitrogênio, para da mesma forma limitar a temperatura do concreto fresco. O
controle da temperatura de lançamento é muito importante para evitar a fissuração
do concreto massa (MEHTA e MONTEIRO, 2008).
Sendo assim podemos observar que são necessários vários cuidados na
utilização de concreto massa, para que o mesmo apresente a trabalhabilidade
adequada e a resistência requerida tentando abrandar a geração de calor de
hidratação para evitar fissurações futuras.
4.1.1.2.
Concreto Compactado com rolo (CCR)
O conceito de concreto compactado com rolo causou uma grande mudança
na prática de construção de barragens de concreto massa. O processo tradicional
utilizado junto ao concreto massa é lento, e a aplicação de equipamentos de
terraplanagem fez com que a construção de barragens se tornasse mais rápida
(MEHTA e MONTEIRO, 2008).
O CCR é uma técnica construtiva, com peculiaridade de uso intensivo de
equipamentos tipicamente empregados em obras de terra/enrocamento, procurando
obter um máximo desempenho no quesito velocidade de lançamento, aliado a
custos baixos e teores de cimento relativamente pequenos para diminuição dos
efeitos das variações volumétricas de origem termogênica do concreto (MARQUES
FILHO e ISAIA, 2011).
74
A execução do concreto compactado com rolo aplica os processos
executivos usualmente utilizados em obras de terra, durante as fases de colocação
(com espalhamento) e compactação. O transporte geralmente é executado por
caminhões basculantes ou correias transportadoras. O espalhamento é utilizando
tratores de esteiras cujas lâminas colocam o concreto na posição final e acertam a
espessura
para
compactação.
E
para
compactação
são
utilizados
rolos
compactadores vibratórios (MARQUES FILHO, 2005).
As barragens de CCR têm características gerais de projeto e comportamento
estrutural muito similar aos modelos usualmente adotados para concreto
convencional, que são largamente conhecidos e estudados, tendo como base vários
protótipos em funcionamento (MARQUES FILHO, 2005).
A (FIGURA 21) apresenta a UHE Ney Braga, antiga UHE Santo Caxias, cuja
barragem utiliza CCR.
FIGURA 21 – UHE SALTO CAXIAS
FONTE: UHE MAUA (2005)
A aplicação do CCR iniciou-se em pavimentos e em concretos de
regularização, com uso contínuo desde a década de 20, principalmente como base
de pavimentos e pistas aeroportuárias, sendo que a primeira obra de grande porte
de CCR foi construída nos Estados Unidos da América, a barragem de Willow Creek,
em 1982, com 52 m de altura e um volume colocado de CCR de 317.000 m3
(MARQUES FILHO e ISAIA, 2011).
75
O controle de qualidade do CCR envolve basicamente duas operações:
inspeção e ensaios (KUPERMAN e ISAIA, 2005). Além da preocupação com as
variáveis para que tenhamos um produto final de qualidade, o processo também
depende de mão-de-obra qualificada (KUPERMAN e ISAIA, 2005).
Enquanto as barragens utilizando concreto massa utilizam em geral
camadas cuja espessura variam entre 2,0 m e 2,5 m, o método construtivo utilizando
o CCR impõe valores entre 0,25 e 0,50 m, aumentando consideravelmente a
quantidade de juntas horizontais ao longo de toda a barragem, com isso é
necessário um maior cuidado com a possibilidade de percolação de água, assim
como a garantia de ligação entre as camadas. Tal fato aliado à necessidade da
consistência seca trouxe muita dúvida no começo da utilização de CCR (MARQUES
FILHO, 2005).
As figuras 22 e 23 apresentam a construção das barragens da UHE Mauá e
UHE Salto Caxias, nelas podem-se observar o pátio de construção assim os
equipamentos e processo de execução do CCR.
FIGURA 22 – BARRAGEM da UHE MAUÁ NA FASE FINAL CONSTRUÇÃO
FONTE: UHE MAUA (2013)
Segundo Mehta e Monteiro (2008), o CCR não requer cimentos especiais,
porém recomenda-se a utilização daqueles com baixo calor de hidratação. Há uma
ampla utilização de adições minerais que visam diminuir a temperatura assim como
melhorar a trabalhabilidade, geralmente são usados cinzas volantes, escórias e
pozolanas naturais, além dessas também são utilizados aditivos incorporadores de
76
ar e redutores de água. Geralmente a dimensão máxima do agregado graúdo é
limitada em 38mm sendo que aqueles com dimensões superiores à 76mm
raramente são utilizados, pois podem causar problemas na compactação e
espalhamento, a distribuição granulométrica é extremamente importante para o
CCR, sendo a utilização de material mais fino que 75µm produz uma mistura mais
coesa (MEHTA e MONTEIRO, 2008).
FIGURA 23 – PRAÇA TIPA DA BARRAGEM DE SALTO CAXIAS
FONTE: MARQUES FILHO (2012)
É muito importante o conhecimento das propriedades do CCR antes do inicio
das obras, para que sejam garantidos o grau de compactação necessário assim
como a resistência esperada, sendo assim pela peculiaridade do processo os
ensaios tradicionais de concreto tiveram que ser adaptados ao CCR (KUPERMAN e
ISAIA, 2005).
Segundo Marques Filho e Isaia (2011) os estudos em cima do CCR devem
ser realizados nas seguintes categorias:

Concreto fresco, para evitar a segregação, adaptar-se às condições climáticas
e possuir trabalhabilidade compatível com os equipamentos utilizados;

Concreto endurecido, garantir a durabilidade da obra solicitada às condições
ambientais durante a vida útil e apresentar propriedades reológicas
compatíveis com os modelos utilizados em projeto;
77

Custo e disponibilidade, pois as soluções e dosagens devem se adaptar aos
materiais disponíveis na região do aproveitamento, seu custo de produção e
transporte;

Controle da qualidade, a solução deverá contemplar sistema de controle e
garantia da qualidade compatíveis com a responsabilidade da estrutura.

Monitoramento, possibilidade de verificar o comportamento durante a vida útil
para que seja feita uma análise de segurança e assim a durabilidade durante
a vida útil seja garantida.
4.1.2. Exploração do Subsolo
Segundo um levantamento efetuado em 1983, para as barragens de
concreto e alvenaria, 75% dos casos de deterioração que ocasionaram acidentes
ocorreram na fundação. Estes casos surgem principalmente devido à característica
cíclica da subida e diminuição do nível do reservatório, que acabam por alterar
progressivamente o comportamento hidromecânico do maciço. Assim, são
necessárias medidas para aumentar a capacidade resistente da fundação e da
interface barragem-fundação, assim como diminuir a subpressão na fundação
(BRETAS et al., 2010).
O material ideal da fundação de uma barragem seria aquele pouco
permeável, de elevada resistência e baixa deformabilidade. Entretanto, nem sempre
essas recomendações são possíveis (LEVIS, 2006).
Devido à dificuldade em se encontrar um terreno perfeito para a instalação
de uma barragem, é necessário que seja feito um estudo bastante aprofundado do
subsolo para que o dimensionamento da barragem seja feito de maneira mais
precisa. O fato de as barragens estarem dispostas sobre meios heterogêneos e
anisotrópicos faz com que a identificação destes cenários só seja possível a partir da
observação contínua de cada obra específica (BRETAS et al., 2010).
Segundo Das (2007) para projetos de fundação e obras de construção devese conhecer a estratificação real do solo no local, sendo assim para as grandes
estruturas deve ser realizada uma exploração do subsolo.
78
Todos os cenários de ruptura que envolvam aspectos relacionados com a
fundação devem ser analisados com cautela, pois dependem de aspectos
específicos de cada obra e necessitam ser contextualizados com os dados
disponíveis do local ou a serem recolhidos com este objetivo. Caso não se adote
este procedimento a análise pode basear-se em pressupostos incorretos (BRETAS
et al., 2010)
Um programa de exploração do subsolo pode ser dividido em quatro fases:
compilação das informações existentes relacionadas à estrutura, onde são
pesquisados o tipo da estrutura à ser construída assim como seu uso, e previsões
de cargas; Coleta de informações existentes para as condições de subsolo, como
mapas geológicos, mapas de solos de condados, manuais de solo publicados pelos
departamentos rodoviários estaduais e relatórios já existentes de estruturas
próximas; Reconhecimento do locas da construção proposto; Investigação detalhada
do local, nesta fase são realizadas várias sondagens no local assim como diversos
ensaios de laboratório a partir das amostras (DAS, 2007)
Para isso caracterizar a rocha da fundação é realizada a testemunhagem da
rocha, onde testemunhos são retirados através de uma perfuração rotativa (DAS,
2007).
No final da exploração e amostragem é realizado um relatório de exploração
do solo que é preparado para se usado no projeto e assim ajudar na escolha da
melhor solução de barramento possível, sempre respeitando os critérios de
segurança. As seguintes informações devem estar presentes em tal relatório:
1. Escopo da investigação;
2. Descrição geral da estrutura proposta;
3. Condições geológicas do local;
4. Detalhes da perfuração;
5. Descrição das condições de subsolo, determinadas a partir das amostras;
6. Detalhes da perfuração;
7. Nível do lençol freático;
8. Detalhes das recomendações para fundações;
9. Problemas de construções previstos;
10. Limitações da investigação.
79
4.1.3. Conceito de Subpressão
A descoberta de um local com as características ideais para a
implementação de qualquer obra geotécnica em geral e de uma barragem em
particular, é um dos passos mais importantes em todo o processo (GAMA, 2012).
O entendimento da ação da subpressão, no final do século XIX revolucionou
o futuro dos tratamentos de fundações de barragens. A execução de vedações com
cortinas de injeção de cimento, associadas com drenagem, passou a ser, desde
então, de suma importância para a segurança e viabilidade econômica das obras
(LEVIS, 2006). A contribuição fundamental foi dada por Lévy, cuja análise da ruptura
da barragem de Bouzey pôs em evidência a importância da subpressão na
estabilidade global destas estruturas (BRETAS et al., 2010)
De acordo com LEVIS (2006) “A supressão pode ser entendida como o
esforço exercido em uma estrutura ou em sua fundação, no sentido ascendente, em
função da pressão decorrente da percolação de água através dos maciços de
concreto, rochoso ou de terra”.
Segundo Serafim apud Marques Filho (2005) em meios porosos como a
rocha e o concreto, a efetividade de aplicação do esforço chega a mais de 90%, ou
seja, para a determinação numa seção qualquer da força aplicada pela pressão
neutra deve ser considerada 90% de sua área de aplicação. A subpressão atua no
alívio do peso da estrutura, de forma a reduzir sua resistência ao deslizamento e
levar a estrutura a uma condição menos segura (OLIVEIRA, 2008).
De acordo com apud Sherard et al. (1963) apud Oliveira (2008), a
subpressão pode causar dois tipos de ameaça para a segurança da barragem, o
primeiro seria o fato de que a pressão de água ao longo da fundação tende a aliviar
o peso de concreto e o segundo seria a influência que a subpressão tem em relação
as tensões na base, pois parte da tensão é atenuada por ela.
Vários critérios de determinação da subpressão foram estudados, sendo
estes, em sua maioria, métodos empíricos. Tentativas empíricas para desenho de
diagramas de subpressão não estão erradas, mas podem ser penosas, dependendo
da geologia, como em fundações com alta variabilidade; além de caras e
conservadoras, em determinados casos métodos probabilísticos para análise deste
problema são raros e pouco disponíveis. Portanto, há interesse em retro analisar
80
dados existentes e aferir se métodos probabilísticos conseguem fornecer estimativas
dentro de limites de confiabilidade conhecidos (LEVIS, 2006).
Segundo Guimarães (1988) apud Levis (2006) a experiência tem mostrado
que a forma do diagrama de subpressão que se estabelece sob o maciço da
barragem é função direta da geometria da obra e do esquema de tratamento
adotado.
Para enfrentar os problemas de construção de obras com reservatórios
sobre espessas camadas de terra e rochas permeáveis vem sendo desenvolvidos
diversos métodos que tem possibilitado que as edificações tenham uma maior
segurança (JARDIM, 1989).
A (FIGURA 24) mostra os principais cuidados tomados no projeto de
barragem à gravidade com relação à subpressão, como face de permeabilidade
controlada, cortina de injeções e cortinas de drenagem.
Concreto –
permeabilidade
controlada
Cortina de
Drenagem
Galeria de
drenagens
Cortina de
Injeções
FIGURA 24 – SEÇÃO TÍPICA DE BARRAGEM DE CONCRETO A GRAVIDADE
FONTE: MARQUES FILHO (2012)
Sabendo que a permeabilidade é fundamental para os processos físico e
químico de deterioração do concreto é muito importante um estudo dos fatores que
81
controlam essa permeabilidade (MEHTA e MONTEIRO, 2008). Assim, segundo
Marques Filho (2012), tanto a permeabilidade quanto a possibilidade de geração de
pressões neutras no maciço são fundamentais para a durabilidade da estrutura.
Além dos cuidados com a permeabilidade e com a fissuração, são muito
importantes as ações para a diminuição dos defeitos de concretagem em obras
maciças, cujos casos mais comuns são caminhos preferenciais de percolação
gerados por juntas de concretagem mal preparadas, e porosidades geradas por
adensamento insuficiente (IBRACON 1989 apud MARQUES FILHO, 2005). Marques
Filho (2005) salienta os ensaios que preconizam a passagem de água sob pressão
em corpos-de-prova cilíndricos de concreto, medindo a água percolada e aplicando
a Lei de Darcy para corpos porosos.
Darcy publicou uma equação (EQUAÇÃO 01) para a velocidade de
percolação de água através de solos saturados, cuja possui uma relação linear entre
gradiente hidráulico i e um coeficiente de condutividade hidráulica k (DAS, 2007).
(01)
Para tentar limitar essa percolação de água pelo maciço rochoso a face de
montante da barragem é composta por concreto menos permeável que o concreto
do resto do maciço, sabendo que permeabilidade do é menor com a diminuição da
relação água/cimento, o que aumentaria em tese o consumo de cimento, buscam-se
concreto com utilização de aditivos, pozolanas como substituição de parte do
cimento Portland, utilização de fíler na forma de agregado pulverizado ou pozolana
para que evitar o calor de hidratação (MARQUES FILHO, 2005).
As cortinas de impermeabilização são realizadas de modo a impedir a
circulação de água sob barragens ou outras estruturas, ou apenas reduzi-la até um
ponto que possa ser controlada, segura e economicamente, por métodos de
drenagem, tal controle é atingido através da execução de uma ou mais fiadas de
furos na fundação de uma barragem, usualmente paralelos ao alinhamento da
barragem ou perpendiculares ao sentido de escoamento da água (GAMA, 2012).
A cortina é então executada, preenchendo as fissuras do maciço com calda
à base de cimento ou outro material. Teoricamente, a cortina necessita apenas de
ser de uma determinada largura, sendo que em termos práticos aquela que é obtida
será superior à necessária em algumas zonas e, possivelmente, não o suficiente em
outras, devido à variação das condições geológicas subsuperficiais (GAMA, 2012).
82
Segundo Gama (2012) a maioria das injeções é realizada com caldas à base
de cimento Portland misturado com água numa misturadora de velocidade elevada
com razão A/C entre 5:1 a 0,5:1 (Fell et al., 2005) de modo a obter-se uma calda
capaz de penetrar os defeitos do maciço da fundação.
Outra maneira de tentar limitar essa percolação e diminuir a supressão é
utilização concomitantemente à cortina de injeções de cortinas de drenagem.
Segundo Porto (2002) apud Levis (2006), as cortinas de drenagem são
constituídas de furos igualmente espaçados e dispostos logo a jusante da cortina de
injeção profunda, cujo objetivo consiste em drenar as águas que fluem através do
maciço e aliviar as subpressões impostas pela carga hidráulica do reservatório.
Além dessa cortina, é indispensável a presença de drenos que interceptem
as fraturas capazes de conduzir água dentro do maciço e que sua cota seja a menor
possível, pois quanto mais perto do solo esses drenos forem instalados mais será o
alívio da subpressão na base da barragem (GUIMARÃES 1988 apud LEVIS, 2006).
A experiência e as análises de desastres evidenciaram a necessidade
dessas técnicas para aliviar a subpressão e aumentar a segurança da barragem por
garantir sua estabilidade. Stharly (1966) apud Levis (2006) reafirma que em um
terreno homogêneo, para escoamento em regime permanente, a distribuição das
subpressões depende somente das disposições geométricas: forma da obra,
situação e espaçamento dos drenos, e independe do coeficiente permeabilidade, ou
seja, o terreno poderá ser mais ou menos permeável, mas a pressão será a mesma,
resultando daí que, uma rede de drenagem terá o mesmo efeito nas subpressões
em qualquer terreno variando apenas a vazão nos drenos. Com isso fica
evidenciando a necessidade de novos estudos e desenvolvimento de novas
tecnologias para empreendimentos futuros para baratear o custo e evitar novos
acidentes.
A maioria das recomendações de projeto considera, a favor da segurança,
que os esforços são aplicados na totalidade das seções analisadas (MASON, 1988
apud MARQUES FILHO, 2005).
Segundo Marques Filho (2005), o campo independe dos esforços internos
das estruturas, devendo ser considerado nas análises de equilíbrio interno e externo.
Para efeito de análise mecânica surgem os conceitos conforme a (FIGURA 25):

Tensão total, ou seja, aquela que decorrente do estudo do equilíbrio da seção
em estudo;
83

Tensão neutra, que corresponde ao campo de tensões gerado pela
percolação, que é função única do meio poroso e das condições dos níveis de
água às quais o corpo está submetido;

Tensão efetiva, como aquela realmente aplicada aos pontos materiais
componentes da estrutura, sendo numericamente igual à diferença entre
tensão total e a tensão ou pressão neutra ou subpressão.
FIGURA 25 – DIAGRAMAS DE TENSÕES EM BARRAGENS DE CONCRETO À GRAVIDADE
FONTE: MARQUES FILHO (2005)
84
5.
ANÁLISE DE ESTABILIDADE GLOBAL DA ESTRUTURA
Para entendimento dos fenômenos envolvidos em obras hidráulicas, é
necessária uma análise da seção da barragem, estudando seus principais
componentes assim como todos os carregamentos, juntamente dos componentes de
subpressão. Além dessa análise, outras incógnitas são levadas em consideração no
dimensionamento de uma barragem, são elas: o efeito da reação termogênica do
cimento; os cuidados com a geometria da estrutura e da fundação para evitar
concentração de tensões; o efeito da fluência (MARQUES FILHO e ISAIA, 2011).
Segundo (Andriolo e Sarkaria, 1995 apud Marques Filho, 2005), em obras de
barragens a gravidade, as resistências ao cisalhamento são determinantes do
material ao invés da resistência à compressão ou tração, excetuando-se as
situações onde existam terremotos.
Para que a segurança possa ser garantida de maneira que respeite todos os
critérios estabelecidos, como da mesma maneira, todas as parcelas relevantes para
o dimensionamento possam ser levadas em consideração são necessários vários
estudos assim como um controle bastante rígido de todo o processo.
Segundo Marques Filho (2012) na análise de segurança global a barragem é
considerada como corpo rígido e suas seções são consideradas planas. Apesar dos
modelos serem complexos e de serem necessários cuidados especiais com a
drenagem e a percolação, a partir de condições fictícias, mas de fácil conceituação,
uma avaliação das condições gerais de estabilidades é possível de ser feita. Nessa
análise será verificado se a estrutura está dentro da probabilidade de ruína aceita,
para tal são consideradas configurações de carregamento com diferentes
probabilidades de ocorrência e com isso a seção é analisada à flutuação, ao
tombamento, ao deslizamento, assim como também são analisadas as tensões
aplicadas na seção (MARQUES FILHO, 2012).
85
FIGURA 26 – ESQUEMA COM OS PRINCIPAIS CARREGAMENTOS
FONTE: NOVAK et al. (2004)
5.1.
AÇÕES ATUANTES
Conforme Tamashiro (2008), as principais ações atuantes em barragens de
gravidade para a análise de estabilidade global são:

Peso Próprio e sobrecargas;

Pressões Hidrostáticas;

Subpressão e Pressões intersticiais nos poros de concreto;

Pressões Hidrodinâmicas;

Empuxos de materiais assoreados;

Forcas sísmicas.
5.1.1. Peso Próprio
O peso próprio de uma barragem de concreto é definido pelo produto do
volume da barragem pelo peso específico do concreto utilizado. O peso específico
do concreto massa – CCR e simples, segundo a Eletrobrás (2003), varia entre 21 e
26 kN/m³ em função do agregado aplicado. Usualmente são feitas análises de
estabilidade bidimensionais, considerando a barragem representada por uma seção
86
com largura unitária. Assim, a (EQUAÇÃO 02) apresenta o peso de uma seção
transversal por unidade de comprimento.
(02)
onde,
P: Peso Próprio da Barragem;
V: Volume da estrutura, usualmente considerado como a área da seção típica;
γconc: peso específico do concreto.
5.1.2. Pressões Hidrostática
Segundo a Eletrobrás (2003), as pressões hidrostáticas são funções lineares
dos níveis de água a montante e jusante da estrutura de barramento. São
representadas através de diagramas triangulares ou trapezoidais. Para a análise de
estabilidade global das estruturas, as cargas hidrostáticas devem ser consideradas
como atuando também nas áreas de aberturas, ou seja, nestas análises, as
aberturas não devem ser consideradas. Devido ao seu diagrama linear, o empuxo
hidrostático, força resultante das cargas hidrostáticas, é aplicado a 2/3 do nível
d’água. Seu valor pode ser obtido através da (EQUAÇÃO 03).
(03)
onde,
E: Empuxo Hidrostático;
Hm,j: nível d’água de montante (m) ou nível da água de jusante (j);
γágua: peso específico da água.
B: largura da seção.
5.1.3. Subpressão – Pressão Intersticiais no Concreto
A conceituação de subpressão e a importância do seu estudo numa
barragem de concreto é assunto abordado no item 4.1.3 do presente trabalho.
A determinação da subpressão nos projetos de barragens de gravidade é
usualmente feita com base em critérios internacionalmente conhecidos, como o
87
critério do U. S. Army Corps of Engineers (1995) e o critério do U. S. Bureau of
Reclamation (1976), bem como o critério da Eletrobrás (2003).
A seguir são
apresentados estes critérios.
5.1.3.1.
Eletrobrás (2003)
Segundo a Eletrobrás (2003), em fundações contínuas, a subpressão deverá
ser admitida como atuando sobre toda a área da base, sendo na extremidade de
montante a subpressão igual à altura hidrostática montante (Hm), a partir do nível
d’água especificado para o reservatório e na extremidade de jusante igual à altura
hidrostática de jusante (Hj) a partir do nível d’água especificado a jusante.
Conforme a Eletrobrás (2003), em caso da não existência de drenos ou de
drenos inoperantes a subpressão varia linearmente entre os valores de montante e
jusante, mostrados na (FIGURA 27).
FIGURA 27 – SUBPRESSÃO SEM LINHA DE DRENOS OU DRENOS INOPERANTES E
PRESSÕES HIDROSTÁTICAS
FONTE: ELETROBRÁS (2003)
Na verificação de estabilidade global nas seções de contato concreto/rocha
sempre que surgirem tensões de tração a montante deverá ser admitida abertura de
fissura na seção. O critério da Eletrobrás (2003) orienta que no contato aberto
(região onde há tensões de tração) o valor da subpressão Hm deverá ser empregado
88
integralmente, variando linearmente até o valor de Hj conforme mostra a (FIGURA
28).
FIGURA 28 – SUBPRESSÃO COM ABERTURA DE FISSURA DEVIDO AO SURGIMENTO DE
TENSÕES DE TRAÇÃO E PRESSÕES HIDROSTÁTICAS
FONTE: ELETROBRÁS (2003)
Para o caso em que houver uma linha de drenos operantes e que a cota
inferior da galeria de drenagem estiver igual ou abaixo do nível d’água de jusante, a
Eletrobrás (2003) estabelece que a subpressão na linha de drenos (Hdm) será igual à
altura hidrostática correspondente ao nível d’água de jusante (Hj) adicionada de um
terço da diferença entre as alturas hidrostáticas a montante (Hm) e a jusante (Hj). A
subpressão deverá variar linearmente até a extremidade da base a partir deste
ponto, conforme (EQUAÇÃO 04).
(04)
onde,
Hdm: subpressão na linha de drenagem;
Hm: altura hidrostática à montante;
Hj: altura hidrostática à jusante.
Para o caso em que houver uma linha de drenos operantes e que a cota
inferior da galeria de drenagem estiver acima do nível d’água de jusante, a
Eletrobrás (2003) estabelece que a subpressão na linha de drenos seja determinada
89
considerando-se hg ao invés de Hj, onde hg é a dimensão compreendida entre a cota
da linha de interseção dos drenos com o plano de análise e a boca dos drenos,
conforme (EQUAÇÃO 05).
(05)
onde,
Hdm: subpressão na linha de drenagem;
Hm: altura hidrostática à montante;
hg: dimensão compreendida entre a cota da linha de interseção dos drenos com o
plano de análise e a boca dos drenos.
Ainda é feita uma observação de que a distância da extremidade de
montante da estrutura até a linha de drenos para os dois casos acima não deverá
ser considerada menor do que 8% da altura hidrostática máxima de montante (a ≥
0,08 Hm, onde a é a distância da face de jusante a linha de drenagem, conforme
(FIGURA 29).
FIGURA 29 – SUBPRESSÃO COM UMA LINHA DE DRENOS OPERANTE
FONTE: ELETROBRÁS (2003)
Para o caso em que houver duas linhas de drenos operantes, a Eletrobrás
define que as subpressões Hd m,j serão calculadas conforme (EQUAÇÕES 06 e 07).
(06)
90
(07)
onde,
Hdm: subpressão na linha de drenagem mais á montante;
Hdj: subpressão na linha de drenagem mais á jusante;
Hm: altura hidrostática à montante;
Hj: altura hidrostática à jusante;
hg: dimensão compreendida entre a cota da linha de interseção dos drenos com o
plano de análise e a boca dos drenos.
A (FIGURA 29) apresenta o diagrama de subpressão com uma linha de
drenos operante e a (FIGURA 30), com duas.
FIGURA 30 – SUBPRESSÃO COM DUAS LINHAS DE DRENOS OPERANTES
FONTE: ELETROBRÁS (2003)
O critério da Eletrobrás (2003) ainda ressalta que para o cálculo de
subpressões em seções de concreto as considerações deverão ser as mesmas que
as estabelecidas no contato concreto-fundação, sendo admitidos valores de tensões
de tração maiores para o caso de seções de concreto.
91
5.1.3.2.
U. S. Army Corps of Engineers (1995)
O U. S. Army Corps of Engineer, segundo Tamashiro (2008), estabelece
diversos casos para a consideração da subpressão em função da presença de
drenos e sua localização.
Para o caso sem drenagem, a distribuição da subpressão é feita como
mostrada a seguir, totalmente análogo ao preconizado pelo critério da Eletrobrás,
conforme apresentado na (FIGURA 31) e (EQUAÇÃO 08).
FIGURA 31 – SUBPRESSÃO SEM LINHA DE DRENAGEM – CRITÉRIO U. S. ARMY CORPS OF
ENGINEERS
FONTE: TAMASHIRO (2008)
(08)
onde,
HX: subpressão no ponto X;
H1: nível de água a montante;
H2: nível de água a jusante;
L: comprimento da barragem;
X: distância em relação à jusante onde se pretende determinar o valor da
subpressão;
γ: peso específico da água.
92
Para o caso com galeria de drenagem, onde a linha do dreno intercepta o
contato a uma distância do ponto da extremidade de montante da base maior que
5% da altura hidrostática à montante (0,05 x H1), a subpressão na linha de
drenagem será considerada como apresentado na (FIGURA 32) e (EQUAÇÕES 09
a 11).
FIGURA 32 – SUBPRESSÃO COM LINHA DE DRENAGEM COM X > 0,05 H1 – CRITÉRIO U. S.
ARMY CORPS OF ENGINEERS
FONTE: TAMASHIRO (2008)
Para X > 0,05 H1:
(09)
Para H4 > H2:
(10)
Para H4 < H2:
(11)
onde,
93
H1: nível de água a montante;
H2: nível de água a jusante;
H3: subpressão na linha da galeria de drenagem;
H4: altura da galeria de drenagem em relação à base;
L: comprimento da base da barragem;
X: distância da galeria de drenagem em relação a montante;
E: eficiência da galeria de drenagem expressada em porcentagem (de 25 a 50%).
Para o caso com galeria de drenagem, onde a interseção da linha do dreno
com o contato fundação-estrutura estiver a uma distância menor ou igual a 5% da
altura hidrostática à montante (0,05 x H1) do ponto da extremidade de montante da
base, a subpressão na linha de drenagem será considerada conforme apresenta a
(FIGURA 33) e (EQUAÇÕES 12 a 14).
FIGURA 33 – SUBPRESSÃO COM LINHA DE DRENAGEM COM X ≤ 0,05 H1 – CRITÉRIO U. S.
ARMY CORPS OF ENGINEERS
FONTE: TAMASHIRO (2008)
Para X ≤ 0,05 H1:
(12)
94
Para H4 > H2:
(13)
Para H4 < H2:
(14)
onde,
H1: nível de água a montante;
H2: nível de água a jusante;
H3: subpressão na linha da galeria de drenagem;
H4: altura da galeria de drenagem em relação à base;
L: comprimento da base da barragem;
X: distância da galeria de drenagem em relação a montante;
E: eficiência da galeria de drenagem expressada em porcentagem (de 25 a 50%).
Para o caso em que aparecem tensões de tração na região a montante da
estrutura, admite-se a abertura de fissura na mesma.
Quando a região tracionada não se estender além dos drenos, a subpressão
na linha dos drenos é obtida conforme apresentado na (FIGURA 34) e (EQUAÇÕES
15 a 17).
95
FIGURA 34 – SUBPRESSÃO COM LINHA DE DRENAGEM E ABERTURA DE FISSURA ENTRE
FACE MONTANTE E LINHA DE DRENAGEM – CRITÉRIO U. S. ARMY CORPS OF ENGINEERS
FONTE: TAMASHIRO (2008)
Para T ≤ X:
(15)
Para H4 > H2:
(16)
Para H4 < H2:
(17)
onde,
H1: nível de água a montante;
H2: nível de água a jusante;
H3: subpressão na linha da galeria de drenagem;
H4: altura da galeria de drenagem em relação à base;
L: comprimento da base da barragem;
X: distância da galeria de drenagem em relação a montante;
96
E: eficiência da galeria de drenagem expressada em porcentagem (de 25 a 50%).
T: comprimento da região descolada da base.
Para o caso em que a região tracionada se estender além da linha de
drenagem, a subpressão será considera plena em toda a região tracionada e variará
linearmente até o mais à jusante, conforme (FIGURA 35) e (EQUAÇÃO 18).
FIGURA 35 – SUBPRESSÃO COM LINHA DE DRENAGEM E ABERTURA DE FISSURA ALÉM DA
LINHA DE DRENAGEM – CRITÉRIO U. S. ARMY CORPS OF ENGINEERS
FONTE: TAMASHIRO (2008)
Para T > X:
(18)
5.1.3.3.
U. S. Bureau of Reclamation (1976)
Segundo o U. S. Bureau of Reclamation (1976), estudado por Tamashiro
(2008), o diagrama de subpressão é formado por trechos retilíneos que interligam
pontos com valores de subpressão definidos a partir do pé de montante e jusante.
97
Com a existência de galeria de drenagem, a redução da subpressão na linha dos
drenos corresponde a 2/3 (eficiência de 66,67%) da diferença dos níveis de água de
montante e de jusante (FIGURA 36). Esta redução é baseada nos dados de obras
construídas pelo órgão e apresentada na (EQUAÇÃO 19).
FIGURA 36 – SUBPRESSÃO COM LINHA DE DRENAGEM – CRITÉRIO U. S. BUREAU OF
RECLAMATION
FONTE: TAMASHIRO (2008)
(19)
onde,
H3: subpressão na linha da galeria de drenagem;
Hm: altura hidrostática à montante;
Hj: altura hidrostática à jusante.
Quando do aparecimento de tensões de tração a montante da seção, a
consideração feita por este critério é a mesma feita pelo critério do U. S. Army Corps
of Engineers (1995), admitindo-se a abertura de fissura na região, conforme
(FIGURA 37) e (EQUAÇÃO 20).
98
FIGURA 37 – SUBPRESSÃO COM LINHA DE DRENAGEM E ABERTURA DE FISSURA –
CRITÉRIO U. S. BUREAU OF RECLAMATION
FONTE: TAMASHIRO (2008)
(20)
onde,
H3: subpressão na linha da galeria de drenagem;
Hm: altura hidrostática à montante;
Hj: altura hidrostática à jusante;
X: distância da galeria de drenagem em relação a montante;
T: comprimento da região descolada da base.
5.1.4. Empuxo Devido a Presença de Material Assoreado
Segundo a Eletrobrás (2003), caso haja possibilidade de deposição de
sedimentos junto ao pé da face de montante da barragem, deverá ser considerado
um empuxo resultante, calculado através da formulação de Rankine, que despreza a
coesão, como apresentado na (EQUAÇÃO 21) e (FIGURA 38).
99
(21)
onde,
Ps: força horizontal de assoreamento em kN/m;
γ: peso específico do sedimento;
γágua: peso específico da água;
γsub: γ - γágua;
hs: altura de cálculo;
φ: Ângulo de atrito interno.
FIGURA 38 – FORÇA DE EMPUXO DEVIDO A SEDIMENTOS NO PÉ DE MONTANTE DA
BARRAGEM
FONTE: ELETROBRÁS (2003)
5.1.5. Ações Sísmicas
Segundo Gutstein (2011), para a análise a estabilidade global de estruturas
submetidas ao sismo, é usual o emprego de métodos simplificados como a análise
pseudo-estática. Nesse tipo de análise se estabelecem os esforços estáticos
capazes de simular os efeitos causados pelos movimentos sísmicos, que são os
esforços hidrodinâmicos, os empuxos de terra com os efeitos do sismo quando
houver e esforços inerciais, determinados a partir do peso próprio da estrutura.
Adota-se uma aceleração sísmica característica multiplicadora da aceleração da
gravidade (g), incorporando à estrutura ações características devido ao terremoto.
Segundo Gutstein, a análise quanto ao sismo, na prática, é feita da mesma forma
que a adotada para a análise quanto ao sismo induzido pela ação do reservatório,
considerando-se as acelerações definidas nos sismos de projeto.
100
Conforme Gutstein (2011), o efeito sísmico considerado no projeto de
barragens brasileiras corresponde ao sismo induzido pela acomodação do
reservatório. Segundo Eletrobrás (2003), para estruturas de concreto assente sobre
fundações em rocha, deverão ser considerados nos cálculos de estabilidade, os
esforços inerciais mínimos de 5% da aceleração da gravidade na direção horizontal
e 3% da aceleração da gravidade na direção vertical, aplicados no centro de
gravidade da respectiva estrutura, sendo “g” o valor da aceleração da gravidade em
m/s² (FIGURA 39).
FIGURA 39 – FORÇAS SÍSMICAS NA BARRAGEM
FONTE: ELETROBRÁS (2003)
FIGURA 40 – PRESSÕES HIDRODINÂMICAS DEVIDO A AÇÕES SÍSMICAS
FONTE: ELETROBRÁS (2003)
Segundo Gutstein (2011), o sentido das forças aplicadas ao centro de
gravidade da estrutura pode variar conforme as ações atuantes e condições de
101
carregamento para estruturas de gravidade de concreto. Gutstein (2011) ainda
ressalta que demais ações devidas a peso próprio sob o plano de análise, também
devem ser consideradas, aplicando-se os respectivos esforços inerciais no seu
centro de gravidade. É o caso de um eventual peso de água a jusante, que deve ser
calculado e aplicado Fy e Fh no centro de gravidade da figura geométrica que
representa a água na região, e assim por diante, considerando a aceleração do
projeto em análise.
Para a análise da pressão de água gerada pelo fluído, outros estudos
também podem ser feitos baseados em critérios internacionais. Entre os critérios
internacionais mais conhecidos estão as formulações de Zanger (1953) apud Davis
e Sorensen (1969) e U. S. Bureau of Reclamation (1987) e a de Westergaard citada
em U. S. Army Corps of Engineers (1995).
5.2.
CONDIÇÕES DE CARREGAMENTO
O manual para Projeto de Usinas Hidrelétricas da Eletrobrás (2003) indica
quatro condições de carregamentos para a verificação da estabilidade global das
estruturas de concreto e cálculos das tensões:

Condição de Carregamento Normal (CCN): Corresponde a todas as
combinações de ações que apresentem grande probabilidade de ocorrência
ao longo da vida útil da estrutura, durante a operação normal ou manutenção
de rotina da obra, em condições hidrológicas normais (ELETROBRÁS, 2003).

Condição de Carregamento Excepcional (CCE): Corresponde a uma situação
de combinação de ações com baixa probabilidade de ocorrência ao longo da
vida útil da estrutura. Em geral, estas combinações consideram a ocorrência
de somente uma ação excepcional, tais como, condições hidrológicas
excepcionais, defeitos no sistema de drenagem, manobras de caráter
excepcional, efeitos sísmicos, etc. com as demais ações correspondentes a
condição de carregamento normal (ELETROBRÁS, 2003).

Condição de Carregamento Limite (CCL): Corresponde a uma situação de
combinação de ações com muito baixa probabilidade de ocorrência ao longo
102
da vida útil da estrutura. Em geral, estas combinações consideram a
ocorrência de mais de uma ação excepcional, tais como, condições
hidrológicas excepcionais, defeitos no sistema de drenagem, manobras de
caráter
excepcional,
efeitos
sísmicos,
etc.
com
as
demais
ações
correspondentes a condição de carregamento normal (ELETROBRÁS, 2003).

Condição de Carregamento de Construção (CCC): Corresponde a todas as
combinações de ações que apresentem probabilidade de ocorrência durante
a execução da obra. Podem ser devidas a carregamentos de equipamentos
de construção, a estruturas executadas apenas parcialmente, carregamentos
anormais durante o transporte de equipamentos permanentes, e quaisquer
outras condições semelhantes, e ocorrem durante períodos curtos em relação
à sua vida útil (ELETROBRÁS, 2003).
Segundo Gutstein (2011), para casos de carregamentos de barragens
localizadas em regiões sísmicas são abordados critérios internacionais como os
critérios de U. S. Army Corps of Engineers (1995) e de U. S. Bureau of Reclamation
(1976).
O critério de U. S. Army Corps of Engineers (1995) inclui nas condições
básicas de carregamento aquelas que consideram os efeitos sísmicos que
dependem da magnitude do terremoto e o momento no qual o mesmo é aplicado na
estrutura (GUTSTEIN, 2011), apresentados nas (FIGURAS 41 a 43).
As condições de carregamentos para verificação quanto aos sismos
segundo o U. S. Army Corps of Engineers (USACE) são:

Condição limite (Extreme loading condition – N° 4 do USACE) – caso de
construção com a consideração do sismo básico de operação (operation basic
earthquake - OBE); (GUTSTEIN, 2011).
103
FIGURA 41 – CASO DE CARREGAMENTO Nº 4 – CONDIÇÃO LIMITE - U. S. ARMY CORPS OF
ENGINEERS
FONTE: U. S. ARMY CORPS OF ENGINEERS (1995)

Condição excepcional (Unusual loading condition – N° 5 do USACE) – níveis
de água normal de operação com o sismo básico de operação (OBE);
(GUTSTEIN, 2011).
FIGURA 42 – CASO DE CARREGAMENTO Nº 5 – CONDIÇÃO EXCEPCIONAL - U. S. ARMY
CORPS OF ENGINEERS
FONTE: U. S. ARMY CORPS OF ENGINEERS (1995)

Condição limite (Extreme loading condition – N° 6 do USACE) - níveis de
água normal de operação com o sismo máximo possível (maximum credible
earthquake - MCE). (GUTSTEIN, 2011).
104
FIGURA 43 – CASO DE CARREGAMENTO Nº 6 – CONDIÇÃO LIMITE - U. S. ARMY CORPS OF
ENGINEERS (1995)
FONTE: U. S. ARMY CORPS OF ENGINEERS (1995)
As demais condições de carregamentos apresentadas no critério de U. S.
Army Corps of Engineers (1995) são condições que se equivalem com as
apresentadas pela Eletrobrás (2003).
Os casos de carregamentos adotados por U. S. Bureau of Reclamation
(1976) são:

Caso Normal (Usual): analisam-se as condições equivalentes ao Caso de
Carregamento Normal (CCN) exposto anteriormente com os efeitos do sismo
máximo possível (maximum credible earthquake – MCE);

Caso Excepcional (Unusual): analisam-se os níveis d’água máximo
maximorum de projeto e demais ações conjuntas com os efeitos do sismo
máximo possível (maximum credible earthquake – MCE);

Caso Limite (Extreme): analisam-se a combinação de uma cheia normal de
projeto e demais ações correspondentes com os efeitos do sismo máximo
possível (maximum credible earthquake – MCE).
No manual de pequenas barragens – U. S. Bureau of Reclamation (1987) é
feito um detalhamento maior para critérios de projeto quando a consideração de
terremotos, onde três níveis de carregamentos devem ser considerados: sismo
105
básico de operação (OBE - operating basis earthquake), sismo básico de projeto
(DBE – design basis earthquake) e sismo máximo possível (MCE – maximum
credible earthquake). Segundo Gutstein (2011), no sismo básico de operação a
estrutura suporta o evento e permanece operando; no sismo básico de projeto a
estrutura suporta o terremoto com danos que sejam reparáveis, exceto para aquelas
estruturas, sistemas e componentes que são importantes para a segurança, que
devem permanecer operáveis. As estruturas que são vitais para garantir a retenção
ou liberação do reservatório devem ser dimensionadas para o carregamento devido
ao sismo máximo possível (MCE). Neste caso as estruturas devem funcionar sem
permitir uma liberação repentina e descontrolada do reservatório ou prever um
esvaziamento controlado do reservatório.
Segundo Gutstein (2011), para os terremotos indicados no U. S. Bureau of
Reclamation (1987), o sismo básico de operação tem uma expectativa de ocorrer
uma vez a cada 25 anos durante a operação da usina, o sismo básico de projeto
uma vez em 200 anos e para o sismo máximo possível não há uma preocupação
com a probabilidade de ocorrência e somente com relação a sua possibilidade de
ocorrer devido às análises geológicas e sismológicas.
Gutstein (2011) sugere no seu estudo que também sejam avaliados casos
de carregamentos considerando drenos inoperantes e outras combinações que se
julguem necessárias para cada caso particular.
5.3.
VERIFICAÇÕES DE ESTABILIDADE GLOBAL
As verificações de estabilidade global das estruturas de concreto, bem como
da barragem, são abordadas no capítulo 7 da publicação “Critérios de Projeto Civil
de Usinas Hidrelétricas – Eletrobrás”, de Outubro de 2003. Conforme consta nesta
publicação, para tais verificações admitimos a estrutura como um corpo rígido. As
verificações são feitas no sentido de avaliar a movimentação deste corpo rígido.
As hipóteses adotadas como diretrizes básicas segundo o manual da
Eletrobrás (2003) são:

Deve-se considerar as tensões naturais de confinamento pré-existente e as
pressões de água do subsolo quando tratar-se de análise de estabilidade
envolvendo massas de rocha (ELETROBRÁS, 2003);
106

Deve-se
considerar
os
resultados
de
investigações
geológicas
e
geomecânicas (ELETROBRÁS, 2003);

Deve-se considerar as conformações topográficas do local, principalmente na
região das ombreiras (ELETROBRÁS, 2003);

Deve-se considerar os efeitos de subpressão, conforme critérios já
estabelecidos anteriormente, sob e no corpo das estruturas e em massas de
rocha (ELETROBRÁS, 2003);

Deve-se considerar, caso represente a condição mais severa, o carregamento
devido a pressão intersticial (ELETROBRÁS, 2003);

As
cargas
acidentais
de
projeto
(exceto
cargas
de
equipamento
permanentemente fixo) devem ser completamente desprezadas em análise
de estabilidade, sempre que as forças verticais atuarem como fatores de
estabilidade (ELETROBRÁS, 2003).
Para tais verificações, são adotados tanto critérios dessa publicação como
critérios internacionais.
A seguir são apresentadas as diretrizes básicas para as verificações de
estabilidade global da estrutura segundo critérios da Eletrobrás (2003), U. S. Army
Corps of Engineers (1995) e U. S. Bureau of Reclamation (1976).
5.3.1. Segurança à Flutuação
O manual da Eletrobrás de 2003 define um “Fator de Segurança a
Flutuação”, que é a relação entre o somatório das forças gravitacionais e o
somatório das forças de subpressão, dado pela (EQUAÇÃO 22).
(22)
onde,
FSF: Fator de segurança à flutuação;
∑V: Somatório das forças gravitacionais;
∑U: Somatório das forças de subpressão.
107
O critério da Eletrobrás ainda estabelece que deverão serem desprezadas
quaisquer contribuições favoráveis devidas à coesão e ao atrito entre blocos ou
entre a estrutura e a fundação. As forças verticais deverão incluir as cargas
permanentes
mínimas
das
estruturas,
o
peso
próprio
de
equipamentos
permanentes, se instalados, e de lastros (água ou aterro) e sistemas de ancoragem,
se utilizados durante determinados estágios da construção. Todas as cargas
acidentais deverão ser ignoradas nas verificações de estabilidade.
Os critérios do U. S. Army Corps of Engineers (1995) estabelece um fator de
segurança à flutuação (calculado do mesmo modo que o estabelecido pelos critérios
da Eletrobrás. Já na publicação do U. S. Bureau of Reclamation (1976), não é
considerada nenhuma verificação quanto à flutuação.
Os fatores de segurança mínimos para os casos de carregamentos
apresentados nos critérios da Eletrobrás (2003) e do U. S. Army Corps of Engineers
(1995) são mostrados na (QUADRO 7).
Coeficiente de
Segurança
FSF
Coeficiente de
Segurança
FSF
Eletrobrás
Casos de Carregamento
Normal
Excepcional
Limite
Construção
1,3
1,1
1,1
U. S. Army Corps of Engineers
Casos de Carregamento
Usual
Não Usual
1,3
1,2
1,2
Extremo
1,1
QUADRO 7 – FATORES DE SEGURANÇA MÍNIMOS PARA A ANÁLISE DE ESTABILIDADE À
FLUTUAÇÃO
FONTE: OS AUTORES
5.3.2. Segurança ao Tombamento
A segurança ao tombamento é calculada segundo a Eletrobrás (2003)
considerando o “Fator de Segurança ao Tombamento”. O “Fator de Segurança ao
Tombamento” é a relação entre o momento estabilizante (devido ao peso próprio da
estrutura, as cargas permanentes mínimas e o peso próprio dos equipamentos
108
permanentes, se instalados) e o momento de tombamento (devido a atuação de
cargas desestabilizantes, tais como, pressão hidrostática, subpressão, empuxos de
terra, etc.) em relação a um ponto ou uma linha efetiva de rotação, calculado pela
(EQUAÇÃO 23).
(23)
onde,
FST: Fator de segurança ao tombamento.
∑Me: Somatório dos momentos estabilizantes atuantes sobre a estrutura.
(ELETROBRÁS, 2003);
∑Mt: Somatório dos momentos de tombamento. Deverão ser desprezados os efeitos
estabilizantes de coesão e de atrito despertados nas superfícies em contato com a
fundação. (ELETROBRÁS, 2003).
Segundo Marques Filho (2005), em estruturas usuais de barragens,
considera-se como ponto natural de rotação o seu pé de jusante. Marques Filho
(2005) ainda ressalta que a situação é fictícia, pois antes de qualquer movimento as
tensões induzidas levariam a ruptura do material.
O U. S. Army Corps of Engineers (1995) propõe um critério de avaliação que
pode ser utilizado complementarmente ao critério da Eletrobrás (2003). A
estabilidade ao tombamento para este critério é assegurada conforme o
posicionamento da força resultante na base (eb) no plano potencial de ruptura, para
cada caso de carregamento, por meio da (EQUAÇÃO 24).
(24)
onde,
eb: distância da força resultante na base até o ponto de tombamento T;
∑Mt: somatório de momentos fletores das forças normais atuantes em relação ao
ponto de tombamento T;
∑Ni: somatório de forças normais efetivas ao plano X e Y.
Os (QUADROS 8 E 9) mostram respectivamente os valores mínimos para o
critério da Eletrobrás (2003) e a posição da resultante na base que assegura a
estabilidades pelo critério do U. S. Army Corps of Engineers (1995).
109
Coeficiente de
Segurança
FST
Eletrobrás
Casos de Carregamento
Normal
Excepcional
Limite
Construção
1,5
1,2
1,1
1,3
QUADRO 8 – FATORES DE SEGURANÇA MÍNIMOS PARA A ANÁLISE DE ESTABILIDADE AO
TOMBAMENTO - ELETROBRÁS
FONTE: OS AUTORES
Casos de
Carregamento
Usual
Não Usual
Extremo
Localização da força resultante na base
1/3 médio
1/2 médio
Na base
QUADRO 9 – LOCALIZAÇÃO DA FORÇA RESULTANTE NA BASE – U. S. ARMY CORPS OF
ENGINEERS
FONTE: OS AUTORES
5.3.3. Segurança ao Deslizamento
Conforme Proença (2004), para a verificação da estabilidade das estruturas
ao deslizamento (escorregamento), selecionam-se superfícies de ruptura possíveis,
incluindo os planos de menor resistência ou submetidos à tensões críticas na
estrutura, na fundação e no contato estrutura-fundação, sobre as quais a estrutura
possa sofrer movimento de deslizamento como corpo rígido, conforme (FIGURAS 44
a 46).

deslizamento na estrutura:
FIGURA 44 – DESLIZAMENTO NA ESTRUTURA
FONTE: OS AUTORES
110

deslizamento no contato estrutura/fundação:
FIGURA 45 – DESLIZAMENTO NO CONTATO ESTRUTURA-FUNDAÇÃO
FONTE: OS AUTORES

deslizamento na fundação:
FIGURA 46 – DESLIZAMENTO NA FUNDAÇÃO
FONTE: OS AUTORES
A análise de segurança ao deslizamento adotada pelo Manual da Eletrobrás
(2003) é uma verificação entre as tensões cisalhantes resistentes e tensões
cisalhantes atuantes no plano potencial de ruptura. Segundo Gutstein (2011), as
tensões cisalhantes atuantes são determinadas a partir das forças gravitacionais,
subpressões e de empuxos atuantes e as tensões cisalhantes resistentes são
determinadas a partir do critério de ruptura de Mohr-Coulomb que é um modelo
matemático que descreve, de forma simplificada, a resposta às solicitações de
111
materiais de ruptura frágil como o concreto, solos e rochas, que possuem uma
resistência à compressão muito superior à sua resistência à tração.
Segundo Proença (2004), uma representação que serve para compreender
melhor as combinações de solicitações que levam à ruptura local de certo material
resulta da construção, num sistema de eixos (σ, τ), dos círculos de Mohr máximos
de tensões principais. Os círculos correspondem a diversas situações de
solicitações limites, realizadas em laboratório, variando desde a tração e a
compressão simples até os estados duplos e triplos.
Tomando-se uma linearização por partes da envoltória, nota-se que a
resposta do material muda de acordo com o regime e a intensidade das tensões
(FIGURA 47). Nessas mudanças, algumas características distintas típicas dos
materiais dúcteis e frágeis podem ser identificadas, e a partir dessa análise resultam
sugestões mais simples de resistência. (PROENÇA, 2004).
Na envoltória linearizada, distinguem-se três trechos:

no trecho I a ruptura é governada pela resistência à tração pura. Um critério
baseado somente nesta condição poderia ser aplicado a materiais frágeis não
resistentes à tração (PROENÇA, 2004);

no trecho II a ruptura é governada pela combinação, linear, das tensões de
cisalhamento e normal, o que se observa em materiais granulares como o
concreto, por exemplo (PROENÇA, 2004);

no trecho III observa-se que não há influência de estados hidrostáticos sobre
a ruptura, sendo a mesma governada pelo cisalhamento máximo, ou a semidiferença entre as tensões principais. Um critério com essas características
aplica-se aos materiais dúcteis (PROENÇA, 2004).
112
FIGURA 47 – ENVOLTÓRIA LINEARIZADA DOS CÍRCULOS DE MOHR
FONTE: OS AUTORES
Conforme Gustein (2011), a teoria de Mohr-Coulomb une a teoria de ruptura
Coulomb com a do círculo de Mohr e permite determinar uma envoltória de
resistências para um material. Essa envoltória é baseada nos parâmetros de atrito e
de coesão para diferentes níveis de pares de tensão normal (σ) e cisalhante (τ) de
ruptura (FIGURA 47).
O critério de Mohr-Coulomb deriva da adoção do trecho II da envoltória de
Mohr linearizada (FIGURA 47) como limitante de estados de tensão admissíveis.
Portanto, a combinação das tensões normal e de cisalhamento é a responsável pela
ruptura (PROENÇA, 2004).
113
FIGURA 48 – ENVOLTÓRIA DE RESISTÊNCIA
FONTE: ROCHA (1981, CITADO POR GUTSTEIN, 2011)
Na (FIGURA 48) é mostrado como se obtém os parâmetros de coesão e de
atrito para um dado nível de tensões normais (de σ1 a σ2) que seja de
interesse para o material em análise, considerando-se que a curva τ x σ
corresponde a envoltória de resistências para um dado material. Essa
envoltória é obtida a partir de ensaios de laboratório e/ou de campo,
obtendo-se tensões cisalhantes de ruptura para diferentes níveis de tensões
normais. A equação de Coulomb é obtida a partir da envoltória de ruptura
de τ x σ, para a reta pontilhada da (FIGURA 44), em função do atrito (φ) e
da coesão (c). (GUTSTEIN, 2011, p. 89).
Deve-se notar que a (FIGURA 48) apresenta os esforços de compressão
com valores positivos.
A equação de Coulomb pode ser escrita conforme (EQUAÇÃO 25).
(25)
onde,
τ: Tensão cisalhante;
c: Coesão;
σ: Tensão normal;
φ: Ângulo de atrito interno.
114
Conforme a Eletrobrás (2003), as análises dos fatores de segurança contra o
deslizamento deverão incluir a coesão na resistência ao cisalhamento dos materiais
rochosos, ou no contato concreto-rocha, a menos que as investigações ou
condições existentes no campo indiquem o contrário. Devem-se utilizar como valores
básicos, os parâmetros geomecânicos extraídos dos resultados de investigações e
ensaios preliminares podendo se adotar nas fases iniciais de projeto, como valores
de coesão e do ângulo de atrito para o maciço de fundação e seus planos de
descontinuidade, aqueles já adotados em outras obras com materiais similares.
Em trechos interceptados por uma superfície de deslizamento onde os
parâmetros geomecânicos (atrito e coesão) são diferentes, a segurança ao
deslizamento da estrutura deve ser calculada para cada trecho, admitindo-se que há
ruptura de cisalhamento nos trechos onde o coeficiente de segurança necessário
não é alcançado. Segundo a Eletrobrás (2003), nesse caso deve-se recalcular o
trecho admitindo-se que o mesmo não tenha resistência de coesão (c = 0), e que
seu ângulo de atrito seja o correspondente à condição residual (pós-ruptura). O
excesso de tensão de cisalhamento não absorvido pelo trecho deve ser transferido
às partes remanescentes da superfície de deslizamento, recalculando-se a
segurança ao deslizamento para cada trecho sucessivamente até que os critérios
sejam satisfeitos ou se verifique a necessidade de se introduzir modificações no
conjunto estrutura-fundação. O manual da Eletrobrás (2003) ainda indica que deverá
ser sempre verificada a compatibilidade de deformações entre os diferentes
materiais, conforme o nível de solicitação atingido.
O manual da Eletrobrás (2003) considera para o cálculo do Fator de
Segurança ao Deslizamento duas fórmulas. A primeira (EQUAÇÃO 26) deverá ser
satisfeita em caso de fundação em material com coesão, e a segunda (EQUAÇÃO
27) deverá ser satisfeita em casos com fundação em material sem coesão.
(26)
(27)
onde,
FSD: Fator de segurança ao deslizamento;
FSDφ: Fator de redução da resistência ao atrito;
115
FSDc: Fator de redução da resistência à coesão;
∑Ni: Somatório das forças normais à superfície de deslizamento, em análise;
φ i: Ângulo de atrito característico da superfície de deslizamento, em análise;
ci: Coesão característica ao longo da superfície de deslizamento;
Ai: Área efetiva comprimida da estrutura no plano em análise;
∑Ti: Somatório das forças paralelas à superfície de deslizamento.
Os valores característicos serão definidos para cada caso particular e de
forma adequada para cada estrutura sob análise. O (QUADRO 10) apresenta os
valores de FSDφ e FSDc. Nos casos em que o conhecimento dos parâmetros de
resistência dos materiais é precário ou de parâmetros muito variáveis, o critério
Eletrobrás (2003) recomenda adotar os valores entre parênteses.
Coeficiente de
Segurança
Eletrobrás
Casos de Carregamento
Excepcional
Normal
Limite
Construção
FSDc
3,0 (4,0)
1,5 (2,0)
1,3 (2,0)
2,0 (2,5)
FSDφ
1,5 (2,0)
1,1 (1,3)
1,1 (1,3)
1,3 (1,5)
QUADRO 10 – FATORES DE REDUÇÃO PARA A ANÁLISE DE ESTABILIDADE AO
ESCORREGAMENTO - ELETROBRÁS
FONTE: OS AUTORES
Os critérios de U. S. Army Corps of Engineers (1995), assim como os da
Eletrobrás (2003), são baseados no critério de Mohr-Coulomb, onde a metodologia
de análise ao deslizamento é feita pelo método de equilíbrio limite.
Segundo Chen (1975, citado por Gutstein, 2011) o sucesso do emprego do
método de equilíbrio limite esta relacionado à escolha da superfície de ruptura como
sendo a crítica. Se essa superfície não for a crítica, então o fator de segurança não é
o mínimo possível para a estrutura em análise e não é a solução por equilíbrio limite.
A solução por equilíbrio limite é encontrada quando a superfície potencial de ruptura
crítica foi encontrada e assim o menor fator de segurança ao deslizamento foi obtido.
Segundo Jansen (1988, citado por Gutstein, 2011), o método do equilíbrio limite
passou a ser adotado pelo U. S. Army Corps of Engineers a partir de 1981. Em
termos de tensões este método permite o cálculo do Coeficiente de Segurança ao
Deslizamento (FS) pela (EQUAÇÃO 28).
116
(28)
onde:
τ, τr: Tensão de cisalhamento atuante e resistente, respectivamente, na superfície de
escorregamento;
(σz – U): Tensão normal (vertical para planos horizontais) efetiva atuante na
superfície de escorregamento (de compressão apenas);
φ: Ângulo de atrito da superfície de escorregamento em análise;
c: Coesão ao longo da superfície de escorregamento.
Jansen (1988, citado por Gutstein, 2011) apresenta também comparações
entre os métodos de equilíbrio limite e o método de shear-friction (U. S. Bureau of
Reclamation, 1976) para planos inclinados, bem como para planos múltiplos de
ruptura.
Segundo Gutstein (2011), para o caso de fundação rígida e superfície de
escorregamento horizontal, o uso da (EQUAÇÃO 28) seria equivalente ao da
(EQUAÇÃO 26), usando-se um coeficiente global FS. Neste caso a solução
calculada pela (EQUAÇÃO 28) corresponde a uma solução de equilíbrio limite
sempre que a superfície potencial de ruptura adotada for a crítica para o caso em
análise. Entretanto, mesmo para superfície horizontal as (EQUAÇÕES 26 e 28)
fornecem resultados diferentes para casos de maciços deformáveis, quando o
cálculo das tensões considerar a deformabilidade da fundação. A deformabilidade da
fundação pode ser considerada por meio de modelagem computacional pelo Método
dos Elementos Finitos, assunto que não será abordado no presente trabalho.
O (QUADRO 11) apresenta os valores mínimos para FS segundo o critério
do U. S. Army Corps of Engineers (1995).
Coeficiente de
Segurança
FS
U. S. Army Corps of Engineers
Casos de Carregamento
Não Usual
Usual
2,0
1,7
Extremo
1,3
QUADRO 11 – FATORES DE SEGURANÇA MÍNIMOS PARA A ANÁLISE DE ESTABILIDADE
AO ESCORREGAMENTO - U. S. ARMY CORPS OF ENGINEERS
FONTE: OS AUTORES
117
O U. S. Bureau of Reclamation (1976) define um critério de verificação ao
deslizamento um pouco diferente do abordado pelo U. S. Army Corps of Engineers
(1995), mas que equivale a adotar a (EQUAÇÃO 26), que deve ser atendida, onde
FSD passa a ser um coeficiente de segurança global, ou seja, sem a redução parcial
da resistência ao atrito e coesão (FSDφ=FSDc=1). Assim o Fator de Segurança ao
Deslizamento (shear friction safety factor - SFF) passa a ser igual a FSD na
expressão, para estas condições. Este critério define os fatores de segurança
globais (SFF) mínimos para superfícies de ruptura no contato concreto-rocha
diferentes de superfícies de ruptura na fundação, conforme apresentados no
(QUADRO 12).
Coeficiente de
Segurança
U. S. Bureau of Reclamation
Casos de Carregamento
Excepcional
Normal
Limite
SFF (contato
concreto-rocha)
3,0
2,0
1,0
SFF (fundação)
4,0
2,7
1,3
QUADRO 12 – FATORES DE SEGURANÇA MÍNIMOS PARA A ANÁLISE DE ESTABILIDADE
AO ESCORREGAMENTO - U. S. BUREAU OF RECLAMATION
FONTE: OS AUTORES
5.3.4. Avaliação das tensões
Em barragens baixas ou de média altura, sobre maciços rígidos, as tensões
normais verticais podem ser calculadas pelo método de gravidade (JANSEN,1988 e
GRISHIN,1982 citado por GUSTEIN 2011).
Segundo Tamashiro (2008), o método de gravidade adota a teoria clássica
de flexão composta da Resistência dos Materiais, admitindo uma distribuição linear
de tensões normais na seção transversal da barragem considerando-a um corpo
rígido monolítico.
Deste modo, as tensões máximas na base ou ao longo de juntas de
concretagem do concreto da barragem são obtidas junto às faces:
(29)
onde:
118
N: Soma das forças verticais normais à base da fundação;
A: Área da seção na base da fundação,
W: Módulo de rigidez; W=I/y, sendo I o momento de inércia e y a distância em
relação ao ponto onde se deseja calcular as tensões. Para seção simétrica
retangular, onde y = b/2 e I = bl3/12 → W=l b2/6;
M: Momento fletor das forças atuantes em relação ao centróide da área;
b: Dimensão da seção na base no sentido transversal;
l: Dimensão da seção da base no sentido longitudinal, usualmente igual a 1m.
Os valores máximos de tensões nas juntas da barragem devem ser
comparados com as tensões admissíveis do concreto à tração e à
compressão, assim como nos planos de contato concreto-rocha ou de
descontinuidades na fundação, comparando-se às resistências dos
respectivos materiais. Quando no projeto for encontrada tração no concreto,
deve-se desprezar o trecho tracionado na verificação da estabilidade da
barragem. Também deve ser verificada a tensão admissível à compressão
no maciço de fundação, sendo admitida tração apenas para caso de
carregamento excepcional, de maneira a se evitar a abertura de fraturas e
aumento de percolação de água. (GUTSTEIN, 2011, p. 96).
As tensões obtidas devem atender aos limites de tensões admissíveis. No
contato concreto-rocha as tensões admissíveis do concreto podem ser consideradas
como as pré-estabelecidas nos critérios Eletrobrás (2003).
As tensões admissíveis na rocha de fundação devem ser avaliadas junto ao
modelo geomecânico da fundação. (GUTSTEIN, 2011).
O critério de U. S. Bureau of Reclamation (1976) apresenta os fatores de
segurança (FSσ), definido como a relação entre as tensões admissíveis e atuantes a
serem adotados para verificação das tensões. O (QUADRO 13) apresenta os fatores
mínimos de segurança.
Coeficiente de
Segurança
FSσ
U. S. Bureau of Reclamation
Casos de Carregamento
Excepcional
Normal
3,0
2,0
Limite
1,0
QUADRO 13 – FATORES DE SEGURANÇA MÍNIMOS PARA A ANÁLISE DE TENSÕES - U. S.
BUREAU OF RECLAMATION
FONTE: OS AUTORES
Segundo o critério do U. S. Bureau of Reclamation (1976), para condições
de carregamento normal não são admitidas tensões de tração, para casos de
carregamento excepcional e limite, em que as tensões de tração obtidas são
maiores do que as tensões mínimas admissíveis na face da barragem, deve se
119
admitir abertura de fissura. Se após a abertura da fissura as tensões na estrutura
não excederem as resistências especificadas e a estabilidade for mantida, a
estrutura é considerada estável.
U. S. Bureau of Reclamation (1976, estudado por Gutstein, 2011) apresenta
a formulação para a consideração da propagação da fratura de forma analítica, a
partir do cálculo do comprimento da fratura e do trecho comprimido de aplicação da
subpressão, obtendo-se diagramas de tensões normais lineares e de tensões
cisalhantes com variação parabólica.
As tensões no plano potencial de ruptura em análise podem também ser
verificadas complementarmente pelo critério proposto por U. S. Army Corps of
Engineers (1995), que leva em consideração a posição da resultante na base (e b) no
plano potencial de ruptura, para cada caso de carregamento, por meio da expressão
já apresentada no item “Segurança ao Tombamento”:
(30)
onde,
eb: distância da força resultante na base até o ponto de tombamento T;
∑Mt: somatório de momentos fletores das forças normais atuantes em relação ao
ponto de tombamento T;
∑Ni: somatório de forças normais efetivas ao plano.
Conforme Gutstein (2011), o percentual de base comprimida pode ser
calculado a partir do comprimento eb. Quando a base não se apresenta totalmente
comprimida, mas atende aos critérios citados, recalcula-se a tensão máxima de
compressão a jusante admitindo o diagrama de tensões como sendo triangular, de
comprimento igual a 3 x eb.
Em U. S. Army Corps of Engineers (1995) indica-se a determinação da base
fraturada a partir da determinação de eb e a verificação do percentual de base
comprimida calculada conforme indicado nas (FIGURAS 49 a 51).
120
FIGURA 49 – 100% DA BASE COMPRIMIDA - RESULTANTE DENTRO DO NÚCLEO CENTRAL DE
INÉRCIA
FONTE: U. S. ARMY CORPS OF ENGINEERS (1995)
FIGURA 50 – 100% DA BASE COMPRIMIDA - RESULTANTE NA POSIÇÃO MAIS AFASTADA DO
NÚCLEO CENTRAL DE INÉRCIA
FONTE: U. S. ARMY CORPS OF ENGINEERS (1995)
FIGURA 51 – BASE NÃO TOTALMENTE COMPRIMIDA - RESULTANTE FORA DO NÚCLEO
CENTRAL DE INÉRCIA
FONTE: U. S. ARMY CORPS OF ENGINEERS (1995)
121
onde,
P': tensão na base da fundação;
L: largura da base;
e: excentricidade da resultante R na base;
R: resultante de todas as forças atuantes acima do plano de analise.
O U. S. Army Corps of Engineers (1995) especifica que as tensões
admissíveis do concreto e da fundação não devem ser ultrapassadas. Estabelece
que para condição de carregamento normal, a resultante das forças verticais deve
estar no núcleo central de inércia da seção (100% da base comprimida), admitindo
tração (resultante fora do núcleo central de inércia da base) para as condições
excepcional e limite. Esta verificação substitui a verificação ao tombamento citada
anteriormente, assim como as verificações de tensões definidas pelo U. S. Bureau of
Reclamation. O U. S. Army Corps of Engineers acrescenta ainda que as tensões em
barragens de gravidade são analisadas tanto por métodos aproximados quanto pelo
Método dos Elementos Finitos, conforme o refinamento do projeto e a configuração
da barragem. O Método dos Elementos Finitos, de acordo com U. S. Army Corps of
Engineers (1995) é utilizado em modelos de análises estáticas lineares, em análises
dinâmicas e em análises não-lineares considerando-se a interação entre a barragem
e a fundação, ressaltando que a vantagem importante deste método consiste na
possibilidade real de modelar fundações complicadas, envolvendo vários materiais,
juntas e fraturas.
O método de gravidade é questionável perto da base da barragem, onde
concentrações de tensões aumentam nos cantos reentrantes formados
pelas faces da barragem e a superfície da fundação. Em barragens altas,
estas concentrações de tensões são significativas, mas são frequentemente
reduzidas pelo escoamento plástico. Estas tensões nos cantos, ao redor de
aberturas e em zonas de tração, podem ser aproximadas com um modelo
pelo Método dos Elementos Finitos, segundo Jansen. Aborda também que
para grandes barragens de gravidade e de contraforte, o projeto final deve
ser estudado por uma análise de tensões mais abrangente pelo Método dos
Elementos Finitos. JANSEN (1988, citado por GUTSTEIN, 2011, p.100).
O Método dos Elementos Finitos não será tema de discussão do presente
trabalho.
122
6.
ANÁLISE DE SENSIBILIDADE
Os critérios e princípios conceituais apresentados foram disseminados nos
projetos de barragem de concreto no Brasil. Nas últimas décadas, as barragens de
concreto voltaram a ser competitivas pelo advento de técnica construtiva do
Concreto Compactado com Rolo.
Para efeito de sedimentação de conceitos, será realizada uma análise de
sensibilidade de estabilidade de seções de CCR.
Para efeito de análise de sensibilidade de alguns parâmetros no projeto de
uma barragem de CCR, adotou-se uma seção típica padrão.
Estudaram-se os parâmetros altura, declividade do talude de jusante e
ângulo de atrito interno do material da fundação. Ainda realizou-se uma análise de
uma seção tipo com estes parâmetros fixados e variando o ângulo entre a estrutura
e fundação.
A (FIGURA 52) apresenta a seção típica para o estudo dos parâmetros
altura (H), inclinação do talude de jusante (x:1) e ângulo de atrito interno do material
da fundação (φ). A (FIGURA 53) apresenta a seção típica para o estudo da variação
do ângulo entre a barragem e a fundação.
FIGURA 52 – SEÇÃO TÍPICA PARA O ESTUDO DE SENSIBILIDADE DE ALGUNS PARÂMETROS
FONTE: OS AUTORES.
123
FIGURA 53 – SEÇÃO TÍPICA PARA O ESTUDO DA VARIAÇÃO DO ÂNGULO ENTRE A
BARRAGEM E A FUNDAÇÃO
FONTE: OS AUTORES
Os parâmetros foram variados conforme (QUADRO 14).
124
Simulação
Caso de
H
x
Simulação
Caso de
H
x
Simulação
Caso de
H
x
φ (°)
φ (°)
φ (°)
(nº)
Carregamento (m) (x:1)
(nº)
Carregamento (m) (x:1)
(nº)
Carregamento (m) (x:1)
1
37,5
65
37,5
129
37,5
2
40
66
40
130
40
0,65
0,65
0,65
3
42,5
67
42,5
131
42,5
4
45
68
45
132
45
5
37,5
69
37,5
133
37,5
6
40
70
40
134
40
0,70
0,70
0,70
7
42,5
71
42,5
135
42,5
8
45
72
45
136
45
30
30
30
9
37,5
73
37,5
137
37,5
10
40
74
40
138
40
0,75
0,75
0,75
11
42,5
75
42,5
139
42,5
12
45
76
45
140
45
13
37,5
77
37,5
141
37,5
14
40
78
40
142
40
0,80
0,80
0,80
15
42,5
79
42,5
143
42,5
16
45
80
45
144
45
17
37,5
81
37,5
145
37,5
18
40
82
40
146
40
0,65
0,65
0,65
19
42,5
83
42,5
147
42,5
20
45
84
45
148
45
21
37,5
85
37,5
149
37,5
22
40
86
40
150
40
0,70
0,70
0,70
23
42,5
87
42,5
151
42,5
24
45
88
45
152
45
60
60
60
25
37,5
89
37,5
153
37,5
26
40
90
40
154
40
0,75
0,75
0,75
27
42,5
91
42,5
155
42,5
28
45
92
45
156
45
29
37,5
93
37,5
157
37,5
30
40
94
40
158
40
0,80
0,80
0,80
31
42,5
95
42,5
159
42,5
32
45
96
45
160
45
Normal
Excepecional
Limite
33
37,5
97
37,5
161
37,5
34
40
98
40
162
40
0,65
0,65
0,65
35
42,5
99
42,5
163
42,5
36
45
100
45
164
45
37
37,5
101
37,5
165
37,5
38
40
102
40
166
40
0,70
0,70
0,70
39
42,5
103
42,5
167
42,5
40
45
104
45
168
45
90
90
90
41
37,5
105
37,5
169
37,5
42
40
106
40
170
40
0,75
0,75
0,75
43
42,5
107
42,5
171
42,5
44
45
108
45
172
45
45
37,5
109
37,5
173
37,5
46
40
110
40
174
40
0,80
0,80
0,80
47
42,5
111
42,5
175
42,5
48
45
112
45
176
45
49
37,5
113
37,5
177
37,5
50
40
114
40
178
40
0,65
0,65
0,65
51
42,5
115
42,5
179
42,5
52
45
116
45
180
45
53
37,5
117
37,5
181
37,5
54
40
118
40
182
40
0,70
0,70
0,70
55
42,5
119
42,5
183
42,5
56
45
120
45
184
45
120
120
120
57
37,5
121
37,5
185
37,5
58
40
122
40
186
40
0,75
0,75
0,75
59
42,5
123
42,5
187
42,5
60
45
124
45
188
45
61
37,5
125
37,5
189
37,5
62
40
126
40
190
40
0,80
0,80
0,80
63
42,5
127
42,5
191
42,5
64
45
128
45
192
45
QUADRO 14 – SIMULAÇÕES PARA VERIFICAÇÃO DE ESTABILIDADE GLOBAL
FONTE: OS AUTORES
125
6.1.
CARACTERÍSTICA DOS MATERIAIS
Para a análise de sensibilidade dos parâmetros, fixou-se o peso específico
do Concreto Compactado a Rolo (CCR) em 25,5 kN/m³ e o da água em 10kN/m³.
Para esta análise não foram considerados sedimentos no fundo do reservatório à
montante.
Nas verificações de segurança ao deslizamento, não se considerou coesão
no contato concreto-fundação. Quando as condições de segurança não foram
satisfeitas, se calculou a coesão necessária no contato concreto-fundação para a
segurança ao deslizamento da estrutura.
6.2.
CRITÉRIOS DE VERIFICAÇÃO DE ESTABILIDADE GLOBAL
Foram feitas análises para três casos de carregamentos: CCN (Caso de
Carregamento Normal), CCE (Caso de Carregamento Excepcional) CCL (Caso de
Carregamento Limite) conforme Eletrobrás (2003).
Para os três casos de carregamentos, se verificaram a segurança ao
Tombamento e Deslizamento pelo critério da Eletrobrás (2003) através dos
respectivos Fatores de Segurança, considerando para o CCN como nível d’água
máximo normal de operação dois metros abaixo da cota da crista, e para o CCE e
CCL o nível d’água máximo maximorum um metro abaixo da cota da crista. Ainda
foram feitas análises de tensões na fundação. Para o caso de surgimento de
tensões de tração na base, admitiu-se a abertura de fissuras conforme o critério do
U. S. Bureau of Reclamation (1976). Ambos os critérios foram descritos no capítulo 5
do presente trabalho.
6.3.
RESULTADOS
Obtiveram-se Fatores de Segurança para cada simulação do (QUADRO 14).
Nos (QUADROS 15 a 17) são apresentados os valores do Fator de Segurança ao
Tombamento para cada altura e inclinação do talude de jusante da barragem no
126
Caso de Carregamento Normal e no Caso de Carregamento Excepcional
respectivamente. Nos (GRÁFICOS 01 a 03) são plotados os valores do Fator de
Segurança ao Tombamento versus inclinação para as diferentes alturas da
barragem em cada Caso de Carregamento.
Fator de Segurança ao Tombamento - Caso de
Carregamento Normal
x
H (m)
0,65
0,7
0,75
0,8
1,96
2,15
2,35
2,55
30
1,68(*)
1,88
2,07
2,25
60
(**)
1,81
2,00
2,18
90
(**)
1,78
1,96
2,14
120
(*) Houve descolamento parcial da seção a montante
(**) Não há equilíbrio possível
QUADRO 15 – FATORES DE SEGURANÇA AO TOMBAMENTO - CCN
FONTE: OS AUTORES
Fator de Segurança ao Tombamento
Fator de Segurança ao Tombamento (CCN)
x Inclinação (x:1)
2,80
2,60
2,40
2,20
2,00
30
1,80
60
1,60
90
1,40
120
1,20
1,00
0,65
0,7
0,75
0,8
x
GRÁFICO 1 – FATOR DE SEGURANÇA AO TOMBAMENTO (CCN) X INCLINAÇÃO
FONTE: OS AUTORES
127
Fator de Segurança ao Tombamento - Caso de
Carregamento Excepcional
x
H (m)
0,65
0,7
0,75
0,8
1,79
1,98
2,16
2,35
30
(*)
1,81
1,99
2,17
60
(*)
1,76
1,94
2,12
90
(*)
1,74
1,92
2,10
120
(*) Não há equilíbrio possível
QUADRO 16 – FATORES DE SEGURANÇA AO TOMBAMENTO - CCE
FONTE: OS AUTORES
Fator de Segurança ao Tombamento
Fator de Segurança ao Tombamento (CCE)
x Inclinação (x:1)
2,60
2,40
2,20
2,00
30
1,80
60
1,60
90
1,40
120
1,20
1,00
0,65
0,7
0,75
0,8
x
GRÁFICO 2 – FATOR DE SEGURANÇA AO TOMBAMENTO (CCE) X INCLINAÇÃO
FONTE: OS AUTORES
Fator de Segurança ao Tombamento - Caso de
Carregamento Limite
x
H (m)
0,65
0,7
0,75
0,8
1,15
1,31
1,40
1,47
30
(*)
(*)
1,26
1,37
60
(*)
(*)
1,20
1,34
90
(*)
(*)
1,17
1,33
120
(*) Não há equilíbrio possível
QUADRO 17 – FATORES DE SEGURANÇA AO TOMBAMENTO - CCL
FONTE: OS AUTORES
128
Fator de Segurança ao Tombamento
Fator de Segurança ao Tombamento (CCL)
x Inclinação (x:1)
1,50
1,45
1,40
1,35
1,30
30
1,25
60
1,20
90
1,15
120
1,10
1,05
1,00
0,65
0,7
0,75
0,8
x
GRÁFICO 3 – FATOR DE SEGURANÇA AO TOMBAMENTO (CCL) X INCLINAÇÃO
FONTE: OS AUTORES
Primeiramente, para a análise dos Fatores de Segurança ao Deslizamento
não foram consideradas a coesão do material da fundação. O critério da Eletrobrás
(2003) estabelece que a condição de segurança ao deslizamento em fundação com
material sem coesão está verificada se a (EQUAÇÃO 30) for satisfeita.
(30)
onde,
FSD: Fator de segurança ao deslizamento;
FSDφ: Fator de redução da resistência ao atrito;
∑Ni: Somatório das forças normais à superfície de deslizamento, em análise;
φ i: Ângulo de atrito característico da superfície de deslizamento, em análise;
∑Ti: Somatório das forças paralelas à superfície de deslizamento.
Caso os valores obtidos de FSD fossem menores que os mínimos
estabelecidos, pela (EQUAÇÃO 31) se calculou a coesão necessária para que seja
verificada a segurança pelo critério da Eletrobrás (2003).
(31)
129
onde,
FSD: Fator de segurança ao deslizamento;
FSDφ: Fator de redução da resistência ao atrito;
FSDc: Fator de redução da resistência à coesão;
∑Ni: Somatório das forças normais à superfície de deslizamento, em análise;
φ i: Ângulo de atrito característico da superfície de deslizamento, em análise;
ci: Coesão característica ao longo da superfície de deslizamento;
Ai: Área efetiva comprimida da estrutura no plano em análise;
∑Ti: Somatório das forças paralelas à superfície de deslizamento.
Nos (QUADROS 18 a 29) são apresentados os Fatores de Segurança ao
Deslizamento. As células preenchidas vermelho indicam que para a simulação com
os valores correspondentes não se pode encontrar situação de equilíbrio. Em caso
de necessidade de coesão no material da fundação, os valores são mostrados à
frente do Fator de Segurança ao Deslizamento e a respectiva célula é destacada em
amarelo. As células destacadas em verde indicam que, com o surgimento de
tensões de tensão ä jusante da base, considerou-se a abertura de fissuras e foram
verificadas as condições de segurança.
Nos (GRÁFICOS 4, 6, 8, 10, 12, 14, 15, 17, 19 e 20) são plotados os valores
de Fator de Segurança ao Deslizamento versus φ (ângulo de atrito interno do
material da fundação) para cada altura da estrutura, caso de carregamento e
inclinação do talude de jusante. Nos (GRÁFICOS 5, 7, 9, 11, 13, 16 e 21) são
plotados os valores da Coesão Necessária, quando os valores do FSD forem
menores que os mínimos estabelecidos, no Contato Fundação-Concreto versus φ
(ângulo de atrito interno do material da fundação) para cada altura da estrutura, caso
de carregamento e inclinação do talude de jusante.
130
Fator de Segurança ao Deslizamento e Coesão Necessária - x = 0,65 Caso de Carregamento Normal
φ
H (m)
37,5°
40°
42,5°
45°
1,00 (74,38)
1,00 (24,87)
1,05
1,14
30
1,00 (312,91)
1,00 (219,06)
1,00 (118,07)
1,00 (8,67)
60
(*)
(*)
(*)
(*)
90
(*)
(*)
(*)
(*)
120
(*) Não há equilíbrio possível
QUADRO 18 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCN – X = 0,65
FONTE: OS AUTORES
Fator de Segurança ao Deslizamento
Fator de Segurança ao Deslizamento
(CCN) x φ - x = 0,65
1,20
1,15
1,10
1,05
30
60
1,00
0,95
0,90
37,5
40
42,5
45
φ
GRÁFICO 4 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCN X Φ – X = 0,65
FONTE: OS AUTORES
131
Coesão Necessária (kN/m²) (CCN) x φ
x = 0,65
Coesão Necesária (kN/m²)
350,00
300,00
250,00
200,00
30
150,00
60
100,00
50,00
0,00
37,5
40
42,5
45
φ
GRÁFICO 5 – COESÃO NECESSÁRIA - CCN X Φ – X = 0,65
FONTE: OS AUTORES
Fator de Segurança ao Deslizamento e Coesão Necessária - x = 0,65 Caso de Carregamento Excepcional
φ
H (m)
37,5°
40°
42,5°
45°
1,11
1,21
1,32
1,44
30
(*)
(*)
(*)
(*)
60
(*)
(*)
(*)
(*)
90
(*)
(*)
(*)
(*)
120
(*) Não há equilíbrio possível
QUADRO 19 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCE – X = 0,65
FONTE: OS AUTORES
132
Fator de Segurança ao Deslizamento
Fator de Segurança ao Deslizamento
(CCE) x φ - x = 0,65
1,50
1,40
1,30
1,20
1,10
30
1,00
60
0,90
90
0,80
120
0,70
0,60
0,65
0,7
0,75
0,8
φ
GRÁFICO 6 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCE X Φ – X = 0,65
FONTE: OS AUTORES
Fator de Segurança ao Deslizamento e Coesão Necessária - x = 0,65 Caso de Carregamento Limite
φ
H (m)
37,5°
40°
42,5°
45°
1,00 (196,63)
1,00 (172,12)
1,00 (145,75)
1,00 (117,18)
30
(*)
(*)
(*)
(*)
60
(*)
(*)
(*)
(*)
90
(*)
(*)
(*)
(*)
120
(*) Não há equilíbrio possível
QUADRO 20 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCL – X = 0,65
FONTE: OS AUTORES
133
Coesão Necessária (kN/m²) (CCL) x φ
x = 0,65
Coesão Necesária (kN/m²)
250,00
200,00
150,00
100,00
30
50,00
0,00
37,5
40
42,5
45
φ
GRÁFICO 7 – COESÃO NECESSÁRIA - CCL X Φ – X = 0,65
FONTE: OS AUTORES
Fator de Segurança ao Deslizamento e Coesão Necessária - x = 0,70 Caso de Carregamento Normal
φ
H (m)
37,5°
40°
42,5°
45°
1,00 (34,81)
1,03
1,12
1,22
30
1,00 (209,5)
1,00 (116,6)
1,00 (16,64)
1,08
60
1,00 (374,06)
1,00 (236,41)
1,00 (88,3)
1,04
90
1,00 (536,14)
1,00 (353,49)
1,00 (156,94)
1,02
120
QUADRO 21 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCN – X = 0,70
FONTE: OS AUTORES
134
Fator de Segurança ao Deslizamento
Fator de Segurança ao Deslizamento
(CCN) x φ - x = 0,70
1,25
1,20
1,15
1,10
30
1,05
60
90
1,00
120
0,95
0,90
37,5
40
42,5
45
φ
GRÁFICO 8 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCN X Φ – X = 0,70
FONTE: OS AUTORES
Coesão Necessária (kN/m²) (CCN) x φ
x = 0,70
Coesão Necesária (kN/m²)
600,00
500,00
400,00
30
300,00
60
90
200,00
120
100,00
0,00
37,5
40
42,5
φ
GRÁFICO 9 – COESÃO NECESSÁRIA - CCN X Φ – X = 0,70
FONTE: OS AUTORES
45
135
Fator de Segurança ao Deslizamento e Coesão Necessária - x = 0,70 Caso de Carregamento Excepcional
φ
H (m)
37,5°
40°
42,5°
45°
1,18
1,29
1,41
1,54
30
1,08
1,19
1,30
1,41
60
1,06
1,16
1,27
1,38
90
1,05
1,15
1,25
1,37
120
QUADRO 22 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCE – X = 0,70
FONTE: OS AUTORES
Fator de Segurança ao Deslizamento
Fator de Segurança ao Deslizamento (CCE)
x φ - x = 0,70
1,60
1,50
1,40
1,30
30
1,20
60
90
1,10
120
1,00
0,90
0,65
0,7
0,75
0,8
φ
GRÁFICO 10 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCE X Φ – X = 0,70
FONTE: OS AUTORES
Fator de Segurança ao Deslizamento e Coesão Necessária - x = 0,70 Caso de Carregamento Limite
φ
H (m)
37,5°
40°
42,5°
45°
1,00 (78,05)
1,00 (59,63)
1,00 (39,81)
1,00 (18,34)
30
(*)
(*)
(*)
(*)
60
(*)
(*)
(*)
(*)
90
(*)
(*)
(*)
(*)
120
(*) Não há equilíbrio possível
QUADRO 23 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCL – X = 0,70
FONTE: OS AUTORES
136
Coesão Necessária (kN/m²) (CCL) x φ
x = 0,70
Coesão Necesária (kN/m²)
90,00
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30
30,00
20,00
10,00
0,00
37,5
40
42,5
45
φ
GRÁFICO 11 – COESÃO NECESSÁRIA - CCL X Φ – X = 0,70
FONTE: OS AUTORES
Fator de Segurança ao Deslizamento e Coesão Necessária - x = 0,75 Caso de Carregamento Normal
φ
H (m)
37,5°
40°
42,5°
45°
1,00
1,09
1,19
1,30
30
1,00 (128,19)
1,00 (35,19)
1,06
1,16
60
1,00 (247,41)
1,00 (109,43)
1,02
1,12
90
1,00 (364,5)
1,00 (181,31)
1,01
1,10
120
QUADRO 24 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCN – X = 0,75
FONTE: OS AUTORES
137
Fator de Segurança ao Deslizamento
Fator de Segurança ao Deslizamento
(CCN) x φ - x = 0,75
1,35
1,30
1,25
1,20
1,15
30
1,10
60
1,05
90
1,00
120
0,95
0,90
37,5
40
42,5
45
φ
GRÁFICO 12 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCN X Φ – X = 0,75
FONTE: OS AUTORES
Coesão Necessária (kN/m²) (CCN) x φ
x = 0,75
Coesão Necesária (kN/m²)
400,00
350,00
300,00
250,00
30
200,00
60
150,00
90
100,00
120
50,00
0,00
37,5
40
42,5
φ
GRÁFICO 13 – COESÃO NECESSÁRIA - CCN X Φ – X = 0,75
FONTE: OS AUTORES
45
138
Fator de Segurança ao Deslizamento e Coesão Necessária - x = 0,75 Caso de Carregamento Excepcional
φ
H (m)
37,5°
40°
42,5°
45°
1,26
1,38
1,51
1,64
30
1,16
1,27
1,39
1,52
60
1,14
1,25
1,36
1,49
90
1,13
1,23
1,35
1,47
120
QUADRO 25 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCE – X = 0,75
FONTE: OS AUTORES
Fator de Segurança ao Deslizamento
Fator de Segurança ao Deslizamento (CCE)
x φ - x = 0,75
1,70
1,60
1,50
1,40
30
1,30
60
1,20
90
1,10
120
1,00
0,90
0,65
0,7
0,75
0,8
φ
GRÁFICO 14 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCE X Φ – X = 0,75
FONTE: OS AUTORES
Fator de Segurança ao Deslizamento e Coesão Necessária - x = 0,75 Caso de Carregamento Limite
φ
H (m)
37,5°
40°
42,5°
45°
1,00 (54,54)
1,00 (36,89)
1,00 (17,91)
1,01
30
1,00 (198,14)
1,00 (163,93)
1,00 (127,12)
1,00 (87,25)
60
1,00 (408,17)
1,00 (354,11)
1,00 (295,94)
1,00 (232,91)
90
1,00
(627,48)
1,00
(553,24)
1,00
(473,36)
1,00 (386,82)
120
QUADRO 26 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCL – X = 0,75
FONTE: OS AUTORES
139
Fator de Segurança ao Deslizamento
Fator de Segurança ao Deslizamento (CCL)
x φ - x = 0,75
1,20
1,15
1,10
1,05
30
1,00
0,95
0,90
0,65
0,7
0,75
0,8
φ
GRÁFICO 15 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCL X Φ – X = 0,75
FONTE: OS AUTORES
Coesão Necessária (kN/m²) (CCL) x φ
x = 0,75
Coesão Necesária (kN/m²)
700,00
600,00
500,00
400,00
30
300,00
60
90
200,00
120
100,00
0,00
37,5
40
42,5
φ
GRÁFICO 16 – COESÃO NECESSÁRIA - CCL X Φ – X = 0,75
FONTE: OS AUTORES
45
140
Fator de Segurança ao Deslizamento e Coesão Necessária - x = 0,80Caso de Carregamento Normal
φ
H (m)
37,5°
40°
42,5°
45°
1,06
1,16
1,27
1,39
30
1,00 (56,92)
1,04
1,13
1,23
60
1,00 (136,52)
1,00
1,09
1,19
90
1,00 (214,26)
1,00 (30,6)
1,08
1,18
120
QUADRO 27 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCN – X = 0,80
FONTE: OS AUTORES
Fator de Segurança ao Deslizamento
Fator de Segurança ao Deslizamento
(CCN) x φ - x = 0,80
1,50
1,40
1,30
30
1,20
60
90
1,10
120
1,00
0,90
37,5
40
42,5
45
φ
GRÁFICO 17 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCN X Φ – X = 0,80
FONTE: OS AUTORES
141
Coesão Necessária (kN/m²) (CCN) x φ
x = 0,80
Coesão Necesária (kN/m²)
250,00
200,00
150,00
30
60
100,00
90
120
50,00
0,00
37,5
40
42,5
45
φ
GRÁFICO 18 – COESÃO NECESSÁRIA - CCN X Φ – X = 0,80
FONTE: OS AUTORES
Fator de Segurança ao Deslizamento e Coesão Necessária - x = 0,80 Caso de Carregamento Excepcional
φ
H (m)
37,5°
40°
42,5°
45°
1,34
1,47
1,60
1,75
30
1,24
1,36
1,48
1,62
60
1,22
1,33
1,45
1,59
90
1,21
1,32
1,44
1,57
120
QUADRO 28 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCE – X = 0,80
FONTE: OS AUTORES
142
Fator de Segurança ao Deslizamento
Fator de Segurança ao Deslizamento (CCE)
x φ - x = 0,80
1,80
1,70
1,60
1,50
1,40
30
1,30
60
1,20
90
1,10
120
1,00
0,90
0,65
0,7
0,75
0,8
φ
GRÁFICO 19 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCE X Φ – X = 0,80
FONTE: OS AUTORES
Fator de Segurança ao Deslizamento e Coesão Necessária - x = 0,80 Caso de Carregamento Limite
φ
H (m)
37,5°
40°
42,5°
45°
1,00 (41,4)
1,00 (23,95)
1,00 (5,17)
1,07
30
1,00 (127,3)
1,00 (95,07)
1,00 (60,39)
1,00 (22,82)
60
1,00 (208,26)
1,00 (160,79)
1,00 (109,7)
1,00 (54,36)
90
1,00 (287,99)
1,00 (225,15)
1,00 (157,54)
1,00 (84,29)
120
QUADRO 29 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCL – X = 0,80
FONTE: OS AUTORES
143
Fator de Segurança ao Deslizamento
Fator de Segurança ao Deslizamento (CCL)
x φ - x = 0,80
1,08
1,06
1,04
1,02
1,00
0,98
30
0,96
0,94
0,92
0,90
0,65
0,7
0,75
0,8
φ
GRÁFICO 20 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO - CCL X Φ – X = 0,80
FONTE: OS AUTORES
Coesão Necessária (kN/m²) (CCL) x φ
x = 0,80
Coesão Necesária (kN/m²)
350,00
300,00
250,00
200,00
30
150,00
60
90
100,00
120
50,00
0,00
37,5
40
42,5
45
φ
GRÁFICO 21 – COESÃO NECESSÁRIA - CCL X Φ – X = 0,80
FONTE: OS AUTORES
Nos (QUADROS 27, 28 e 29), apresenta-se a importância da altura na
análise de segurança, onde os fatores diminuem com a altura e quando necessário,
a coesão necessária aumenta significativamente com a altura.
144
Como pode-se observar nos (QUADROS 27, 28 e 29), no caso de obras a
fio d’água, com níveis máximo maximoruns e operacionais máximos semelhantes, o
CCE é na maior parte dos casos menos relevante que o CCN e CCL.
No caso de verificação de tensões normais na base, na maioria dos critérios
de projeto, dois limites são importantes, a compressão no concreto e na rocha e o
comprimento deslocado na base. As máximas admissíveis de compressão são, no
caso normal, da ordem de um terço da resistência característica à compressão, ou
seja:
(32)
Nos casos estudados foram observadas resistências características à
compressão necessárias inferiores a 8 MPa. Em geral, a resistência da rocha à
compressão é superior aquelas do concreto.
Em relação à verificação ao deslizamento, em muitos dos casos analisados,
se faz necessárias a existência de coesão do concreto. De acordo com fusco, 1976,
a coesão do concreto, supondo a envoltória de Mohr-Coulomb é:
(33)
Ou seja, para fck = 8,5 MPa
Supondo que a adesão concreto rocha tenha eficácia de metade dos
parâmetros do concreto
ou seja
Com o valor acima apresentado, verifica-se que para alturas em torno de
120 metros e ângulo de atrito de 40º, os valores com barragens 0,7:1,0 já são
críticos, e para 0,75:1,0, a situação é mais crítica para a mesma altura e ângulo de
atrito em torno de 37,5º.
Determinaram-se as máximas tensões de compressão e a porcentagem da
base comprimidas. Os (QUADROS 30 a 41) mostram estes valores. Quando não se
pode verificar a segurança das estruturas as células são destacadas em vermelho.
145
H (m)
30
60
90
120
Tensões na Base e % Comprimida - x = 0,65 - Caso de Carregamento Normal
φ
37,5°
40°
42,5°
45°
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
-570,29
-1307,59
(*)
(*)
100%
98%
(*)
(*)
-570,29
-1307,59
(*)
(*)
100%
98%
(*)
(*)
-570,29
-1307,59
(*)
(*)
100%
98%
(*)
(*)
-570,29
-1307,59
(*)
(*)
100%
98%
(*)
(*)
(*) Não há equilíbrio possível
QUADRO 30 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE COMPRIMIDA - CCN –
X = 0,65
FONTE: OS AUTORES
Tensões na Base e % Comprimida - x = 0,65 - Caso de Carregamento Excepcional
φ
37,5°
40°
42,5°
45°
H (m)
30
60
90
120
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
-635,53
(*)
(*)
(*)
100%
(*)
(*)
(*)
-635,53
(*)
(*)
(*)
100%
(*)
(*)
(*)
-635,53
(*)
(*)
(*)
100%
(*)
(*)
(*)
-635,53
(*)
(*)
(*)
100%
(*)
(*)
(*)
(*) Não há equilíbrio possível
QUADRO 31 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE COMPRIMIDA - CCE –
X = 0,65
FONTE: OS AUTORES
H (m)
30
60
90
120
Tensões na Base e % Comprimida - x = 0,65 - Caso de Carregamento Limite
φ
37,5°
40°
42,5°
45°
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
-577,89
(*)
(*)
(*)
61%
(*)
(*)
(*)
-577,89
(*)
(*)
(*)
61%
(*)
(*)
(*)
-577,89
(*)
(*)
(*)
61%
(*)
(*)
(*)
-577,89
(*)
(*)
(*)
61%
(*)
(*)
(*)
(*) Não há equilíbrio possível
QUADRO 32 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE COMPRIMIDA - CCL –
X = 0,65
FONTE: OS AUTORES
146
H (m)
30
60
90
120
Tensões na Base e % Comprimida - x = 0,70 - Caso de Carregamento Normal
φ
37,5°
40°
42,5°
45°
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
-491,79
-1127,41
-1759,20
-2392,31
100%
100%
100%
100%
-491,79
-1127,41
-1759,20
-2392,31
100%
100%
100%
100%
-491,79
-1127,41
-1759,20
-2392,31
100%
100%
100%
100%
-491,79
-1127,41
-1759,20
-2392,31
100%
100%
100%
100%
QUADRO 33 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE COMPRIMIDA - CCN –
X = 0,70
FONTE: OS AUTORES
Tensões na Base e % Comprimida - x = 0,70 - Caso de Carregamento Excepcional
φ
37,5°
40°
42,5°
45°
H (m)
30
60
90
120
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
-548,14
-1186,72
-1819,91
-2453,36
100%
100%
100%
100%
-548,14
-1186,72
-1819,91
-2453,36
100%
100%
100%
100%
-548,14
-1186,72
-1819,91
-2453,36
100%
100%
100%
100%
-548,14
-1186,72
-1819,91
-2453,36
100%
100%
100%
100%
QUADRO 34 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE COMPRIMIDA - CCE –
X = 0,70
FONTE: OS AUTORES
H (m)
30
60
90
120
Tensões na Base e % Comprimida - x = 0,70 - Caso de Carregamento Limite
φ
37,5°
40°
42,5°
45°
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
-434,28
(*)
(*)
(*)
95%
(*)
(*)
(*)
-434,28
(*)
(*)
(*)
95%
(*)
(*)
(*)
-434,28
(*)
(*)
(*)
95%
(*)
(*)
(*)
-434,28
(*)
(*)
(*)
95%
(*)
(*)
(*)
(*) Não há equilíbrio possível
QUADRO 35 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE COMPRIMIDA - CCL –
X = 0,70
FONTE: OS AUTORES
H (m)
30
60
90
120
Tensões na Base e % Comprimida - x = 0,75 - Caso de Carregamento Normal
φ
37,5°
40°
42,5°
45°
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
-428,44
-981,49
-1536,41
-2089,39
100%
100%
100%
100%
-428,44
-981,49
-1536,41
-2089,39
100%
100%
100%
100%
-428,44
-981,49
-1536,41
-2089,39
100%
100%
100%
100%
-428,44
-981,49
-1536,41
-2089,39
100%
100%
100%
100%
QUADRO 36 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE COMPRIMIDA - CCN –
X = 0,75
FONTE: OS AUTORES
147
Tensões na Base e % Comprimida - x = 0,75 - Caso de Carregamento Excepcional
φ
37,5°
40°
42,5°
45°
H (m)
30
60
90
120
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
-477,62
-1033,25
-1589,38
-2142,82
100%
100%
100%
100%
-477,62
-1033,25
-1589,38
-2142,82
100%
100%
100%
100%
-477,62
-1033,25
-1589,38
-2142,82
100%
100%
100%
100%
-477,62
-1033,25
-1589,38
-2142,82
100%
100%
100%
100%
QUADRO 37 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE COMPRIMIDA - CCE –
X = 0,75
FONTE: OS AUTORES
H (m)
30
60
90
120
Tensões na Base e % Comprimida - x = 0,75 - Caso de Carregamento Limite
φ
37,5°
40°
42,5°
45°
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
-364,07
-806,55
-1274,73
-1750,34
100%
89%
77%
72%
-364,07
-806,55
-1274,73
-1750,34
100%
89%
77%
72%
-364,07
-806,55
-1274,73
-1750,34
100%
89%
77%
72%
-364,07
-806,55
-1274,73
-1750,34
100%
89%
77%
72%
QUADRO 38 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE COMPRIMIDA - CCL –
X = 0,75
FONTE: OS AUTORES
H (m)
30
60
90
120
Tensões na Base e % Comprimida - x = 0,80 - Caso de Carregamento Normal
φ
37,5°
40°
42,5°
45°
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
-372,06
-865,65
-1353,99
-1841,16
100%
100%
100%
100%
-372,06
-865,65
-1353,99
-1841,16
100%
100%
100%
100%
-372,06
-865,65
-1353,99
-1841,16
100%
100%
100%
100%
-372,06
-865,65
-1353,99
-1841,16
100%
100%
100%
100%
QUADRO 39 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE COMPRIMIDA - CCN –
X = 0,80
FONTE: OS AUTORES
Tensões na Base e % Comprimida - x = 0,80 - Caso de Carregamento Excepcional
φ
37,5°
40°
42,5°
45°
H (m)
30
60
90
120
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
-415,36
-911,23
-1400,48
-1888,19
100%
100%
100%
100%
-415,36
-911,23
-1400,48
-1888,19
100%
100%
100%
100%
-415,36
-911,23
-1400,48
-1888,19
100%
100%
100%
100%
-415,36
-911,23
-1400,48
-1888,19
100%
100%
100%
100%
QUADRO 40 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE COMPRIMIDA - CCE –
X = 0,80
FONTE: OS AUTORES
148
H (m)
30
60
90
120
Tensões na Base e % Comprimida - x = 0,80 - Caso de Carregamento Limite
φ
37,5°
40°
42,5°
45°
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
-302,71
-681,56
-1053,81
-1424,53
100%
100%
100%
100%
-302,71
-681,56
-1053,81
-1424,53
100%
100%
100%
100%
-302,71
-681,56
-1053,81
-1424,53
100%
100%
100%
100%
-302,71
-681,56
-1053,81
-1424,53
100%
100%
100%
100%
QUADRO 41 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE COMPRIMIDA - CCL –
X = 0,80
FONTE: OS AUTORES
Para complementar o estudo, foi realizada uma análise da influência da
inclinação da seção de montante para jusante. Para tanto foram fixados alguns
parâmetros da seção de CCR apenas variando o ângulo da inclinação do leito do rio.
A altura da barragem foi fixada em 90 metros, a seção da barragem é 0,75:1,0 e o
ângulo de atrito foi fixado em 37,5º (pior caso verificados nas outras análises).
Esse estudo busca mostrar a grande influencia que essas mudanças têm
sobre a verificação da segurança à estabilidade. No (QUADRO 42 e 43) e
(GRÁFICOS 22 a 24) são apresentados os valores de Fator de Segurança ao
Tombamento e Fator de Segurança ao Deslizamento com a Coesão necessária
caso necessite, respectivamente. O (QUADRO 44) apresenta os valores máximos de
compressão na base e a porcentagem da base sujeita a tensões de compressão.
Fator de Segurança ao Tombamento
α (°)
0
2,5
5
7,5
CCN
2,00
1,93
1,83
1,73
CCE
1,94
1,88
1,78
1,69
CCL
1,20
1,18
1,09
(*)
QUADRO 42 – FATORES DE SEGURANÇA AO TOMBAMENTO – BASE INCLINADA
FONTE: OS AUTORES
Fator de Segurança ao Deslizamento e Coesão
Necessária
CCN
CCE
CCL
α (°)
0
1,00 (247,41)
1,14
1,00 (408,17)
1,00 (368,39)
1,06
1,00 (478,63)
2,5
1,00 (495,74)
1,00 (5,52)
1,00 (1051,03)
5
1,00 (629,12)
1,00 (69,04)
(*)
7,5
149
QUADRO 43 – FATORES DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO – BASE INCLINADA
FONTE: OS AUTORES
Tensões na Base e % Comprimida
CCN
CCE
α (°)
0
2,5
5
7,5
TENSÃO
(kN/m²)
% COMPRIMIDA
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMID
A
-1525,43
-1671,01
-1861,08
100%
100%
100%
-1573,63
-1718,05
-1909,80
100%
100%
100%
CCL
TENSÃO
(kN/m²)
%
COMPRIMIDA
-1604,43
-2026,70
(*)
66%
44%
(*)
(*) Não há equilíbrio possível
QUADRO 44 – TENSÕES DE COMPRESSÃO NA BASE E % DA BASE COMPRIMIDA – BASE
INCLINADA
FONTE: OS AUTORES
Fator de Segurança ao Tombamento
Fator de Segurança ao Tombamento
2,20
2,00
1,80
CCN
1,60
CCE
1,40
CCL
1,20
1,00
0
2,5
5
7,5
α
GRÁFICO 22 – FATOR DE SEGURANÇA AO TOMBAMENTO X α – BASE INCLINADA
FONTE: OS AUTORES
150
Fator de Segurança ao Deslizamento
Fator de Segurança ao Deslizamento
1,16
1,14
1,12
1,10
1,08
CCE
1,06
1,04
1,02
1,00
0
2,5
5
7,5
α
GRÁFICO 23 – FATOR DE SEGURANÇA AO DESLIZAMENTO X α – BASE INCLINADA
FONTE: OS AUTORES
Coesão Necessária (kN/m²)
Coesão Necessária (kN/m²)
1201,00
1001,00
801,00
CCN
601,00
CCE
401,00
CCL
201,00
1,00
0
2,5
5
7,5
α
GRÁFICO 24 – COESÃO NECESSÁRIA X α – BASE INCLINADA
FONTE: OS AUTORES
151
Foram observadas algumas características interessantes e importantes com
esse estudo. Primeiro foi verificada uma rápida degradação da segurança da
barragem com o aumento do ângulo do leito o rio.
Pode ser constado, que em quase todos os casos, os coeficientes de
segurança ao deslizamento não atendem os mínimos estabelecidos, sendo
necessário o cálculo da coesão requerida.
É importante acrescentar que com a deterioração dos parâmetros de
estabilidade, foram observadas tensões na base mais críticas. Quando se fez
necessária a abertura de fissuras houve uma grande queda dos parâmetros de
segurança, sendo que em um caso, não foi possível verificar a estabilidade e noutro
foi possível, porém não foi respeitada a necessidade de ser ter 66,7% da base
comprimida.
152
7.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Este trabalho possui dois focos claros. O primeiro é demonstrar a
necessidade da humanidade por recursos hídricos. A população mundial vem
crescendo e com isso a demanda por água, energia e outros recursos básicos para
a sobrevivência aumentam. O desenvolvimento econômico leva à procura de uma
melhor qualidade de vida, e faz com que as empresas, indústrias e o próprio
governo acabem consumindo mais insumos básicos. Paralelamente à esse fato
vemos a necessidade de armazenamento desses recursos, pois há uma
sazonalidade envolvendo todos os fatores dos processos de geração de energia e
armazenamento de água.
Hoje o progresso é mais pensado e pautado na sustentabilidade, pois ao
longo dos anos o uso de combustíveis fósseis aumentou consideravelmente a
concentração de CO2 na atmosfera, e como isso se deve fazer maior investimento
nas fontes de energia renováveis.
Sabendo dessa necessidade da sociedade, cabe à construção civil resolver
essas questões e dar suporte à população. Porém estabelece-se um dilema, pois a
responsável pelo desenvolvimento dos povos é também a indústria que mais gera
resíduos e é a maior consumidora de recursos naturais. Apesar desse, fato a
construção civil é a atividade com maior potencial de mitigação de dos gases do
efeito estufa, e a implementação de fontes de energia renováveis é uma delas.
A energia hidráulica é limpa e renovável. Mesmo sabendo que a implantação
de empreendimentos hídricos gerem CO2 na construção, há uma baixa emissão
durante sua manutenção, diferentemente de outras fontes com as termoelétricas e
fontes que usam combustíveis fósseis.
No Brasil a demanda por infraestrutura, principalmente energia é crescente.
E sabendo do grande potencial brasileiro para geração de energia hidráulica, e que
o país tem uma das maiores reservas de água do mundo, cabe ao governo criar
políticas de desenvolvimento para que os projetos possam ser implementados. Com
a existência do SIN, a solução de energia hidráulica é otimizada, pois pode-se
explorar todo o potencial brasileiro, diversificando os tipos de empreendimentos,
sem que o sistema fique refém de problemas regionais como secas.
153
Mesmo sabendo da necessidade de expansão da geração de energia há
uma grande rejeição da sociedade para com a implantação de novos
empreendimentos hidráulicos, devido à percepção dos impactos que podem ser
causados. Essa percepção negativa se deve em parte pela falta de conhecimento da
comunidade técnica para sua defesa. Por essa razão esse trabalho tenta criar
argumentos para um debate melhor com a sociedade.
O segundo foco do trabalho é apresentar os fenômenos físicos que devem
ser considerados nos projetos de uma barragem, visando assim ser material de
consulta para a graduação e também para engenheiros que pretendem seguir na
área.
Com as crises econômicas que se instalaram nas ultimas décadas no país
houve uma diminuição considerável do número de equipes de engenharias
especializadas na área. Além disso, o assunto é muito pouco abordado nos cursos
de graduação de Engenharia Civil, levando a uma inexistência de material didático
adequado para formação de novos profissionais. É também, muito importante
colocar que não há no Brasil uma normalização na área, fazendo com que se
busque referências estrangeiras, sem soluções consensadas.
As barragens têm permitido que as pessoas coletassem e armazenassem
água há muitos anos. Existem vários tipos de barragens e a escolha do arranjo
adotado depende de vários fatores, como disponibilidade de solo e rocha, topografia,
aspectos geológicos e geotécnicos. Da mesma maneira é necessária uma análise
bastante criteriosa do local do empreendimento analisando a capacidade e impactos
gerados.
O trabalho é focado na análise de estabilidade de barragens de concreto à
gravidade fazendo um resumo dos principais critérios e fenômenos envolvidos.
Estudou-se os principais critérios nacionais e internacionais de verificação
da estabilidade de estruturas de Usinas Hidrelétricas. Como objetivo principal do
trabalho, direcionou-se o estudo para as Barragens de Concreto Compactado a
Rolo.
Os critérios apresentados são os critérios da “Centrais Elétricas Brasileiras
S.A.” – Eletrobrás (2003), os critérios do U. S. Army Corps of Enginners (1995) e os
critérios do U. S. Bureau of Reclamation (1976).
Os critérios estabelecidos pela Eletrobrás (2003) se assemelham em grande
parte aos critérios do U. S. Bureau of Reclamation (1976), inclusive na consideração
154
da subpressão para as verificações de estabilidade. O U. S. Army Corps of
Enginners (1995) estabelece um critério diferente para a consideração da
subpressão.
As análises de estabilidade da estrutura à flutuação são definidas de iguais
formas nos critérios da Eletrobrás (2003) e do U. S. Army Corps of Enginners (1995).
Já para a análise de estabilidade da estrutura ao tombamento, a Eletrobrás define
em seu critério o cálculo de um Fator de Segurança ao Tombamento, resultante da
razão entre o Momento Estabilizante pelo Momento Tombador, enquanto o U. S.
Army Corps of Enginners (1995) calcula a estabilidade ao tombamento através da
excentricidade da horizontal da força resultante. O U. S. Bureau of Reclamation
(1976) não estabelece verificação equivalente para o tombamento, focando a análise
no estudo das tensões na base.
Para a verificação da estabilidade da estrutura ao deslizamento, as 3
instituições definem o cálculo de um fator de segurança do deslizamento. O critério
nacional da Eletrobrás (2003) apresenta fatores de segurança parciais mínimos para
a coesão e para o atrito, enquanto alguns critérios internacionais apresentam fatores
de segurança globais mínimos para esta verificação. Estes fatores de segurança
parciais são inseridos para reduzir o risco devido à variação dos valores de coesão e
atrito no local da construção.
A análise de tensões nas estruturas pode ser feita, a um nível menos
avançado de projeto, pela teoria clássica de flexão composta da resistência dos
materiais. Os critérios do U. S. Army Corps of Enginners (1995) propõe uma
verificação das tensões através da localização da força resultante (também utilizado
na verificação da estabilidade ao tombamento). Com o desenvolvimento dos
métodos numéricos e da capacidade de processamento de dados obteve-se uma
ferramenta que possibilita a análise do problema em suas múltiplas formas. O
estudo dos métodos numéricos para a análise de tensões não foi foco deste
trabalho.
No trabalho foi apresentada uma análise de sensibilidade à dependência dos
parâmetros de resistência geotécnicos e dos materiais aplicados. A maioria das
rupturas de barragens estão relacionadas com problemas de fundação, e há um
grande risco de desastres quando as investigações e parametrizações não são
realizadas adequadamente.
155
Sendo assim esse trabalho visa demonstrar a necessidade de sejam feitas
investigações e parametrização dos materiais da maneira mais criteriosa possível,
para que além de diminuir o risco, também diminui-se a quantidade de material
necessário para a construção pois as certezas serão maiores. Assim pode-se
construir mais seguro e sustentável.
Sabemos que o CCR suporta tensões da ordem de 7 a 10 MPa, foi
observado na análise de estabilidades que na pior situação encontrou-se uma
tensão de 7,17 MPa, dentro o esperado para a utilização de CCR.
No trabalho foi realizada uma interação entre diversas geometrias e
parâmetros geotécnicos, representado pelo ângulo de atrito entre a estrutura e a
rocha. Analisando os resultados concluímos que na análise de estabilidade ao
tombamento, o principal fator, determinante para maior segurança da estrutura, é o
fator de geometria. Pudemos observar que quanto menor a declividade da barragem
mais estável ela é, com fatores muito parecidos para as alturas de 60, 90 e 120m.
Outra
conclusão
bastante
interessante
é
referente
à
análise
ao
deslizamento. Os principais fatores responsáveis pela segurança é o ângulo de atrito
entre a rocha e a estrutura e a altura.
A análise do efeito da inclinação do leito do rio, mostra como era esperado,
uma grande influência nos parâmetros de estabilidade, deteriorando rapidamente as
condições de segurança com o aumento da declividade.
Também é importante mencionar que, nas barragens a fio d’água, onde a
diferença entre o nível máximo normal e o máximo maximorum é relativamente
pequena em relação à altura total, há predominância do CCN sobre o CCE e CCL.
Como pode ser demonstrado, os modelos e sistemas construtivos de
barragens de concreto à gravidade são conhecidos e confiáveis, bem como em uma
análise simples de sensibilidade, percebe-se a importância relativa dos diversos
parâmetros existente. A necessidade de investigações adequadas para a
determinação dos parâmetros da interface concreto-rocha mostra-se evidente, bem
como se apresenta fundamental a determinação da topografia local para verificação
da geometria do leito do rio. O trabalho não visitou os efeitos das inclinações das
ombreiras, tampouco das elevações dos níveis de jusante, que ficaram para um
próximo estudo dentro na Universidade Federal do Paraná.
156
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