As forças que atuam sobre uma barragem devem ser consideradas desde a fase de planejamento até a sua conclusão. Isto é importante não só para a construção, mas também para a usabilidade da barragem.
Durante a construção da barragem, foram instalados sistemas de instrumentação para monitorar seu estado.
Recomenda-se a leitura do artigo Tipos de barragens Mais informações sobre os diferentes tipos de barragens, suas características, instrumentação da barragem e as diferentes medições utilizadas para monitorar a estabilidade da barragem podem ser encontradas aqui.
Este artigo discute os seguintes tipos de forças que atuam em uma barragem.
- Pressão da água
- Pressão de flutuabilidade
- Pressão das ondas
- Forças do terremoto
- Pressão do vento
- Pressão da lama
- Cargas térmicas
- Pressão do gelo
- próprio peso
Vamos discutir detalhadamente cada tipo de força aplicada a uma barragem. Esta discussão descreve os aspectos de projeto e construção da aplicação de carga a uma barragem. Além disso, discutimos o tipo de carga exercida devido à função da barragem. Por exemplo, a pressão da lama pode ser classificada nesta faixa.
Vejamos cada tipo de carga individualmente.
Pressão da água
As barragens são construídas principalmente para reter água. Portanto, devem ser construídos de forma que possam suportar a pressão da água.
A conhecida equação da pressão da água é a seguinte.
P = γeuH
Onde P é a pressão (kN/m2), γeu é a densidade da água (kN/m3), E H – é a altura da água.
A figura acima mostra o efeito da pressão da água em uma barragem cheia de pedras. Da mesma forma, a pressão da água poderia ser calculada para outros tipos de barragens.
A partir dos números acima podemos calcular a força (F) exercida na barragem da seguinte forma:
F = 0,5γeuH2
E as forças atuam a um terço da altura que consideramos a altura da água.
Além dos pontos acima, o nível máximo de água deve ser levado em consideração no projeto. Geralmente, dois tipos de níveis de água são considerados no projeto de barragens.
- Nível de Fornecimento Total (FSL)
- Altura Máxima do Piso (MFL)
Nível de Fornecimento Total (FSL)
Este é o nível de operação da barragem. Geralmente mantemos os níveis de água em níveis máximos de abastecimento.
A altura da barragem estará acima deste nível. Além disso, todas as comportas devem operar neste nível para atender aos requisitos de projeto da barragem.
Para barragens construídas exclusivamente para geração de energia, o nível da água é mantido neste nível e se for observada uma subida, mais energia é gerada para manter o nível da água no FSL em vez de passar a água pelo vertedouro.
Nível máximo de água (MWL)
O nível máximo de água é o nível de água que a barragem atinge durante as cheias devido ao nível da água subir acima do FSL.
A barragem deve ser capaz de suportar a subida do nível da água até ao nível máximo da água e as comportas do vertedouro devem ser capazes de libertar a água sem que o nível da água suba acima do nível máximo da água.
Está planejado operar a comporta entre FSL e MWL e manter o nível máximo de água como MWL durante a operação.
Além disso, e mais importante ainda, a barragem também deve ser projetada para este nível de água. Ao considerar as forças que atuam sobre uma barragem, é importante garantir que a elevação da água até o nível máximo da água seja levada em consideração para verificar a estabilidade.
Pressão de flutuabilidade
O movimento da água abaixo do corpo da barragem devido à infiltração cria a pressão de flutuabilidade na barragem.
A estabilidade da barragem é verificada quanto a tombamento, deslizamento e carregamento.
A pressão de empuxo no aterro afeta o fator de segurança contra tombamento e a capacidade de carga. O impacto na capacidade de carga pode variar dependendo do tipo de terreno sobre o qual a fundação é construída.
As barragens podem tombar devido às forças laterais e de empuxo exercidas pela água. Portanto, as forças de empuxo que atuam sobre uma barragem são consideradas cargas muito críticas.
Conforme mostrado na figura acima, o nível da água sob a fundação varia. Dependendo dos níveis de água a montante e a jusante.
A pressão da água no túnel de inspeção flutua devido à redução da pressão da água. Isto pode ser devido à cortina de junta ou porque a água pode escoar pelo túnel de drenagem.
A figura acima mostra que a água pode fluir através do túnel de drenagem para reduzir a pressão de empuxo na barragem.
Além disso, cortinas de injeção também podem ser construídas para evitar o movimento da água sob o corpo da barragem. Além disso, a injeção de cortina é cada vez mais utilizada na construção de barragens para minimizar a infiltração de água.
A variação na altura da porta traseira deve ser cuidadosamente considerada no projeto, pois afeta significativamente a pressão de elevação. O caso de cargas pesadas deve ser levado em consideração no projeto.
Caso não exista túnel de drenagem ou cortina de grauteamento, o dimensionamento deve ter em conta a variação de queda entre a cabeceira de montante e a cabeceira de jusante.
Pressão das ondas
Ondas na superfície da água causadas pelo vento colocam pressão adicional na barragem.
Existem diferentes métodos para calcular a pressão na barragem. Um dos métodos que poderíamos usar é explicado neste artigo.
Heu = 0,032√VF + 0,763 + 0,271(F)3/4 para F < 32 km
Heu = 0,032√VF para F > 32 km
onde; Heu – altura da onda em metros, V – velocidade do vento em km/h, F – extensão da onda em linha reta em km
A pressão máxima Pw pode ser calculada da seguinte forma.
Pw = 2,4γeuHeu funciona via heu/2 acima do nível da água parada
Além disso, a distribuição de pressão é considerada triangular e tem altura de 5heu/3
Portanto a força total é (Feu) devido aos movimentos das ondas pode ser calculado da seguinte forma:
Feu = 0,5 (2,4γeuHeu).5heu/3 = 19,62 horaseu2
A força atua 3hw/8 acima do nível da água do reservatório conforme indicado na figura acima.
Forças do terremoto
Dependendo da localização e do período de retorno, a magnitude de um terremoto é selecionada ao projetar barragens.
Uma barragem é uma estrutura tão importante que custa muito dinheiro. Portanto, deve ser seguro o suficiente para suportar as cargas colocadas sobre ele. Não deve haver incertezas no design. Portanto Independentemente de a barragem estar ou não localizada numa área propensa a sismos, as forças sísmicas que atuam sobre a barragem são tidas em conta no projeto.
Dependendo da categorização das áreas propensas a terremotos, existem zonas com determinadas intensidades sísmicas. Eles são baseados em uma probabilidade ou no período de retorno.
A resistência especificada deverá ser utilizada se corresponder ao período de retorno considerado no projeto. Quando for considerado um período de retorno alto ou baixo, a magnitude sísmica apropriada deverá ser considerada no projecto da barragem.
Existem dois métodos para calcular a resistência sísmica de barragens e estruturas.
- Método manual ou método simplificado com força inicial
- Análise mais detalhada manualmente ou com software baseado em computador
Método manual ou método simplificado
Como conhecemos o coeficiente sísmico com base nos dados a serem considerados, podemos calcular a aceleração.
Se conhecermos a aceleração e a massa da estrutura, podemos facilmente calcular a força.
Força = massa x aceleração
Se conhecermos a força lateral criada pelo terremoto, podemos calcular o momento de tombamento e o fator de segurança.
Este é um método de aproximação com uma massa concentrada da estrutura. Portanto, um método mais preciso precisa ser usado para obter respostas corretas.
Análise detalhada das forças do terremoto
Isso pode ser feito manualmente ou usando software baseado em computador.
Uma vez selecionada a magnitude do terremoto ou da aceleração sísmica, podemos calcular as forças que atuam na estrutura de acordo com as orientações fornecidas no código.
Diferentes tipos de métodos para calcular as forças do terremoto são discutidos no artigo cargas laterais de acordo com UBC 1997.
Ou poderia ser utilizado software informático para calcular a estabilidade da barragem. Fornece o fator de segurança da barragem. Esses métodos utilizados para barragens de enrocamento, assim como o método manual, são muito difíceis no cálculo do fator de segurança de estabilidade de taludes.
O software permite determinar o fator de segurança mais crítico para diferentes tipos de falhas.
| situação de projeto | Fator mínimo de segurança |
| Terremoto de base operacional | 1.3 |
| O maior terremoto credível | 1.1 |
Além disso, o fator de segurança da senhora é verificado em diversas ocasiões conforme mencionado na tabela acima.
Pressão da água causada por terremotos
A pressão da água flutua durante um terremoto. Ele não é estático.
A figura a seguir mostra o efeito da pressão da água durante um terremoto.
A figura acima mostra a flutuação da água causada pelo terremoto. Esta pressão deve ser adicionada à pressão estática para determinar a carga final.
O artigo Pressão da água causada por terremotos Para obter mais informações sobre as forças que atuam em uma barragem com base em cálculos de carga de pressão, consulte.
Pressão do vento
A pressão do vento geralmente não é levada em consideração na construção de barragens.
Quando a barragem está cheia, uma carga lateral atua sobre a barragem que é muito maior que a carga do vento.
No entanto, uma parte da barragem está exposta ao vento para além dos níveis de abastecimento total. Se necessário, podemos levar em conta esta altura ao aplicar a carga de vento.
Pressão da lama
Os depósitos de lodo ocorrem inevitavelmente em reservatórios. Eles reduzem a profundidade da barragem e o armazenamento de água.
Além disso, isso também sobrecarrega a barragem.
Durante as cheias, a lama entra no reservatório.
A pressão subaquática exercida pela lama pode ser calculada conforme mostrado na figura acima.
P=kAγ'h
onde kA – coeficiente de pressão ativa da terra, γ' – densidade do lodo submerso e h – altura do depósito de lodo.
A força pode ser calculada da seguinte forma.
F = 0,5kAγ'h2
Como a pressão da lama representa uma pressão adicional colocada na barragem, ela deve ser levada em consideração no projeto. A lama pode afetar significativamente a segurança do tombamento da barragem se for necessário que a barragem tenha uma altura de enchimento de lama mais elevada.
Portanto, uma avaliação especial deve ser realizada para determinar as forças que atuam sobre uma barragem por sólidos em suspensão.
Cargas térmicas
As cargas térmicas são um critério crucial para barragens de concreto.
Durante e após a construção, os efeitos das flutuações de temperatura devem ser monitorados. Se os limites forem ultrapassados, há problemas Durabilidade do concreto.
A ascensão do concreto devido ao calor de hidratação deve ser limitada nas estruturas de concreto para evitar fissuras. O artigo, Métodos para limitar a temperatura do concreto Para mais informações você pode entrar em contato conosco.
Além disso, deve-se prestar atenção às fissuras térmicas devido às flutuações na temperatura do concreto. O artigo, Fissuração térmica em concreto fornece informações abrangentes sobre este tópico.
Ao calcular a largura da fissura do concreto, as seguintes combinações de carga devem ser levadas em consideração.
- M+T+T2
- Apenas T1
- T1 + T2
Onde,
M – momento fletor
T – força de tração
T1 – Aumento da temperatura em relação à temperatura ambiente devido ao calor de hidratação
T2 – Desvio sazonal da temperatura em relação à temperatura ambiente
Aumentando tensões
Quando uma barragem é represada, ela é enchida pela primeira vez.
Para barragens de enrocamento, barragens de terra e barragens similares, o represamento é extremamente crítico.
À medida que o nível da água aumenta, a saturação causa tensão no núcleo.
Portanto, existem restrições na taxa de preenchimento. Isso pode depender da especificação do projeto.
É permitido um aumento gradual do nível da água no reservatório.
Pressão do gelo
Em países com flutuações sazonais de temperatura, a água vira gelo.
À medida que derretem e se expandem, a pressão é aplicada à barragem.
Poderia estar na faixa de 250 – 1500 kN/m2
próprio peso
O peso próprio da estrutura deve ser levado em consideração no dimensionamento da estabilidade no estado limite de utilização e no estado limite último.
O peso próprio de uma barragem pode ser calculado muito facilmente: É calculado a partir da densidade do concreto multiplicada pelo volume do concreto.
Porém, se precisarmos calcular o peso da barragem de enrocamento, será necessário mais esforço porque existem diferentes tipos de camadas com diferentes densidades.
