ARTIGO DE REVISÃO
SANTANA, Leandro Pinheiro [1], VASCONCELOS, Thiago Rodrigues [2], SILVA, Wellington Cesar Teles Da [3]
SANTANA, Leandro Pinheiro. VASCONCELOS, Thiago Rodrigues. SILVA, Wellington Cesar Teles Da. Instrumentação e segurança de barragens. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 05, Ed. 11, Vol. 07, pp. 81-97. Novembro de 2020. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-civil/seguranca-de-barragens
RESUMO
As barragens são obras essenciais que a Engenharia faz para o desenvolvimento e sobrevivência do ser humano, elas têm servido a sociedade ao longo dos últimos milênios. Recentes acidentes envolvendo barragens de contenção de rejeitos de mineração e de resíduos industriais vêm despertando a atenção para essas estruturas, que crescem com o aumento da produção industrial, sendo assim, o objetivo dessa pesquisa consiste em abordar sobre a segurança de barragens frente aos desastres ocorridos nos últimos anos, inicialmente fazendo um apanhado das técnicas de instrumentação e segurança de barragens no Brasil, e por fim apresentar os métodos mais utilizados, diretrizes obedecidas, normas, leis e regulamentações. Para tal, foi realizada uma pesquisa de revisão de literatura sobre a segurança de barragens em paralelo aos desastres recentes. No presente estudo utilizou-se as bases de dados da Capes, o Google Acadêmico e o Scielo, como indexadores, além disso, foram delimitadas as palavras-chaves a partir de extensa leitura inicial e utilizadas as mesmas nos indexadores para melhor entendimento do fenômeno – foram selecionados os melhores artigos, dissertações e teses que abordam de forma mais direta o escopo deste trabalho. Como considerações finais entende-se que os procedimentos usuais para verificar a estabilidade geral de barragens de concreto baseiam-se em métodos determinísticos e no uso de fatores de segurança.
Palavras-chaves: Segurança, barragens, instrumentação, controle.
1. INTRODUÇÃO
A partir de relatos fotográficos (análises de ruínas e condições de funcionamento), percebe-se que barragens estão presentes em muitas civilizações a no mínimo 5 mil anos. Essas barragens juntamente com reservatórios projetados surgiram da demanda por água, para condições de sobrevivência humana – tipificado especialmente no uso com a agricultura, uma vez que dependia diretamente da irrigação e do controle de enchentes. (DUARTE, 2008).
Recentes acidentes envolvendo barragens de contenção de rejeitos de mineração e de resíduos industriais vêm despertando a atenção para essas estruturas, que crescem com o aumento da produção industrial (ESPÓSITO; DUARTE, 2010).
Tendo em vista que as probabilidades de danos e riscos como consequências de acidentes em barragens podem assumir grandes dimensões, desta forma, o correto dimensionamento da estrutura em conjunto com boas práticas construtivas, correta operação e eficaz monitoramento são fundamentais para garantir a segurança de barragens. Instruções e discussões internacionais objetivando a segurança de barragens têm sido difundidas, a exemplo, tem-se a Comissão Internacional de Grandes Barragens (ICOLD – International Comission on Large Dams) que tem ganhado destaque no meio. (SILVA NETO et al., 2010).
Os procedimentos usuais para verificar a estabilidade geral de barragens de concreto baseiam-se em métodos determinísticos e no uso de fatores de segurança. Simplificações normalmente utilizadas na definição das ações, parâmetros de resistência e modelos de comportamento mecânico, introduzem incertezas aos procedimentos de análise. (PIRES et al., 2019). Neste sentido, a catástrofe consequente ao rompimento das barragens de rejeitos, por exemplo, não deixa ninguém indiferente diante das tragédias humanas, mas também nos concerne a todos quanto às lições para melhorar a prevenção de riscos. (LIMA et al., 2015).
Em barragens de concreto, por exemplo, os problemas de fundação são a maior causa de ruptura, sendo que erosão interna e resistência ao cisalhamento insuficiente da fundação respondem por 21% das causas de ruptura cada um. No caso das barragens de terra e de enroscamento, a causa mais comum de ruptura é o overtopping (31% como causa principal e 18% como causa secundária), seguida por erosão interna do corpo da barragem (15%) e erosão interna da fundação (12%). (ESPOSITO, 2015).
O monitoramento de toda composição estrutural de uma barragem gera grandes quantidades de dados, principalmente matemáticos, exigindo a aplicação de conceitos matemáticos combinados aos de estatística e engenharia, além disso outro fator que conta bastante é a experiência do engenheiro responsável pela interpretação destes dados, o que por sua vez, demanda elevada quantidade de tempo. Dito isto, o surgimento de novas técnicas e ferramentas computacionais ainda mais eficientes, auxiliam o tomador de decisões, sendo fundamental nos dias atuais. (SILVA NETO et al., 2010).
Feito as considerações sobre a importância do metódico monitoramento da composição estrutural das barragens encontram-se os acidentes. Esses acidentes são cruciais no processo pois demonstra que as organizações apresentam falhas, por vezes vinculadas a capacidade de análise dos dados e por vezes vinculadas a capacidade de diagnóstico desses aferidos dados. Além disso, acidentes em barragens desestabilizam o entendimento das Engenharias sobre dois tópicos de extrema relevância – a saber: segurança (coeficientes) e prevenção (manutenções). (LIMA et al., 2015).
Segundo Pires et al. (2019), as incertezas estão presentes em todo o ciclo de vida da estrutura, desde a concepção até o final de sua vida útil. Os riscos associados podem ser agravados pela execução inadequada de qualquer fase de uma obra de engenharia civil. As incertezas passam por mudanças no decorrer de sua vida útil, sendo atenuadas logo na fase inicial (projeto). Em geral, as incertezas podem ser reduzidas após a construção e durante a operação, devido à coleta de dados reais e redução das incertezas de previsão.
Este trabalho trata-se de um artigo que tem como finalidade apresentar um apanhado das técnicas de instrumentação e segurança de barragens no Brasil. Busca-se saber quais os métodos mais utilizados, diretrizes obedecidas, normas, leis e regulamentações.
2. METODOLOGIA
O presente trabalho trata-se de um artigo de revisão de literatura cujo aborda sobre a questão da segurança de barragens mediante os desastres ocorridos nos últimos anos. Buscou-se artigos publicados nas duas últimas décadas. Como fonte de pesquisa, foi utilizado as bases do Capes, Google Acadêmico e Scielo.
Também foi utilizada a apostila do Curso de Segurança de Barragens da Agência Nacional de Águas (MEDEIROS, 2020), mais especificamente Unidade 2: Instrumentação de barragens do Módulo II: Inspeção e Auscultação de Barragens. A escolha do material deve-se ao prestígio da agência governamental que é a autoridade legal no país. Foi feita interpretação das informações contidas, bem como a busca de conceitos em outros autores e trabalhos.
2. INSTRUMENTAÇÃO PARA A SEGURANÇA DAS BARRAGENS
Sabe-se que as barragens são construções gigantescas, estas obras de grande porte necessitam ser monitoradas para observar quaisquer tipos de possíveis danos. Outro fator que devemos observar é que as barragens, como o próprio nome já diz, servem de contenção para águas ou rejeitos de mineração. Todas essas obras oferecem algum tipo de risco, mesmo depois de concluídas.
De acordo com a (MEDEIROS, 2020), a ciência que trata da segurança das barragens cuida também da sua “saúde” durante toda vida útil da estrutura, este cuidado é feito por meio de inspeções visuais e ferramentas que permitem que sejam realizadas as inspeções. No nosso país as barragens mais antigas que estão em operação datam do século XIX, algumas delas, por questão de tempo, acabaram perdendo sua funcionalidade, no entanto, mesmo perdendo suas funções algumas não foram desativadas totalmente.
Isto gera uma certa preocupação por parte dos órgãos governamentais. Sabe-se que por ser uma grande construção, qualquer tipo de interferência em sua estrutura ou qualquer dano que ela venha sofrer, seja por rompimento ou outro tipo, pode causar consequências incalculáveis. De acordo com moradores locais, analisando pela estética, as barragens que romperam em Minas Gerais não transmitiam segurança, logo, os mesmos já temiam o seu possível rompimento.
De acordo com Menescal (2004) estima-se que existem cerca de 300 mil barragens no Brasil, cinco por cento dessas barragens são de grande e médio porte, a preocupação é que grande parte destas barragens são desconhecidas pelo poder público. Só no ano de 2008 foram registradas 350 notificações de acidentes. Este número vem variando de ano em ano, sendo que a maioria são na região nordeste do país.
Silveira aponta que até aquele ano existiam cerca de 3500 barragens com mais de quinze metros de altura, este levantamento foi feito por meio de satélites. Barragens deste tamanho são consideradas de grande porte. O autor ainda apresentou que a grande preocupação em torno desse número é de que apenas 30% delas estão devidamente cadastradas, e o mais preocupante ainda é que provavelmente todas são para geração de energia elétrica.
De acordo com informações registradas e apresentadas pela Brasil (2002) até a presente década a estimativa é de que existem cerca de mil barragens para geração de energia, sendo que 185 são usinas hidrelétricas, 431 são pequenas centrais hidrelétricas, 384 são centrais de geração hidrelétricas ou micro geradoras.
As inspeções, junto com as instrumentações realizadas periodicamente, servem como mecanismos complementares e indispensáveis no processo de identificação dos problemas como, observamos na Figura 1.
Figura 1: Instrumentação de Barragens/Inspeções Visuais
De certa maneira, segundo Silveira (2011), chega a ser mais que óbvia a necessidade de monitorar as barragens, mas a questão a ser respondida neste trabalho é: O que é esta instrumentação de segurança de barragens? Ao que parece estamos cometendo redundância na argumentação, mesmo correndo este perigo, o que são esses instrumentos de segurança para as barragens? Mesmo que a mais avançada tecnologia seja empregada na construção da barragem, ao longo de toda sua vida útil a mesma se degrada, consequentemente ocorre a alteração dos fatores de confiabilidade, está respondida a real necessidade de instrumentação de segurança.
Partindo do princípio de que as barragens são obras gigantescas e que qualquer tipo de problema pode causar grandes catástrofes, o objetivo da instrumentação de segurança é justamente evitar este tipo de problema. Mesmo que a Lei 12.334/2010 venha para resolver esta questão, esta abrange apenas barragens acima de quinze metros de altura, no entanto, das quase 300 mil existentes atualmente, apenas 3.500 se enquadram neste contexto. Neste sentido, o monitoramento é a ferramenta que dá o diagnóstico da barragem e que possibilita intervenções preventivas e corretivas, minimizando os riscos ao meio ambiente e em áreas de influência.
3.1 O PROCESSO DE INSTRUMENTAÇÃO PARA O MONITORAMENTO
De acordo com o artigo 4º, inciso I da Lei 12334: “A segurança de uma barragem deve ser considerada nas suas fases” (itens a seguir).
3.1.1 PLANEJAMENTO E PROJETO
Nesta fase é necessário conhecer os dados geotécnicos e geológicos da localidade na qual será construída a barragem, bem como a seleção e qualidade dos materiais que serão empregados, investigação e ensaios de campo, estudos hidrológicos e hidráulicos, deve-se ainda realizar estudos de sedimentação, estudos de estabilidade, tratamento das fundações bem como estudos voltados para o concreto e os impactos socioambientais que essa obra poderá causar.
É a partir daí que poderá se definir o tipo de arranjo da barragem em construção e, posteriormente, as principais grandezas que deverão ser monitoradas pela instrumentação como deslocamentos, deformações, tensões, temperatura, níveis piezométricos em fundações, pressões de água e vazões.
3.1.2 FASE DE CONSTRUÇÃO
É nesta fase que será avaliado se as hipóteses do projeto estão atendendo o esperado. Deverá ser observado se as tensões especificadas, as deformações da fundação e dos maciços se acham dentro dos limites previstos em projeto. Deverá ser verificado se as fissuras de origem térmica e as mudanças de concretagem poderão exigir algum tipo de medida alternativa.
Nesta fase deverá ser avaliado eventos não previstos e detectar anomalias no comportamento da barragem ou em qualquer parte da estrutura que venha apresentar alguma característica fora do projeto.
3.1.3 PRIMEIRO ENCHIMENTO
Esta fase trata-se do período na qual a barragem entrará em carga total pela primeira vez, este período é considerado o mais crítico de toda sua vida útil. A instrumentação deve ser aplicada nesta fase com o intuito de alertar sobre a ocorrência de anomalias que possam proporcionar risco a segurança das estruturas de barramento, deverá possibilitar um estudo do desempenho estrutural das obras de barramento para saber se todas as expectativas no projeto estão sendo supridas.
3.1.4 SEGUNDO OPERAÇÃO
Esta fase de operação engloba a vida útil da barragem. Justamente aqui neste ponto que a barragem vai “trabalhar”, ou seja, irá deformar, deslocar, aquecer, esfriar, recalcar, passará ainda por efeitos de cheias e até abalos sísmicos. A instrumentação de segurança de barragens nesta fase deverá acompanhar o cumprimento e atendimento aos critérios exigidos em projeto, deverá monitorar o desempenho geral da barragem e da fundação, bem como de toda a sua estrutura, tensões, vazões, drenagem e outras.
Neste sentido, o acompanhamento da instrumentação deverá ser voltado aos escorregamentos de encostas nas margens, fugas de água do reservatório e assoreamentos.
3.2 A INSTRUMENTALIZAÇÃO NA PRÁTICA
Neste tópico é abordado como deve ser de fato realizada a instrumentalização nos diversos tipos de barragens, bem como a avaliação, gestão, desempenho e segurança das barragens. Para cada tipo de barragem há um monitoramento a ser empregado, sobretudo porque o intuito da instrumentação é evitar grandes catástrofes. (MACHADO, 2007).
No monitoramento das barragens de terra, por exemplo, como na Figura 2, as causas mais comuns de ruptura são erosões internas ou externas, ou entubamento com o carregamento de partículas de solo pelo maciço devido ao fluxo de água excessivo de montante para a jusante. É justamente neste ponto que deve ser feito o monitoramento nas barragens já em plena operação. (BRASIL, 2020).
Figura 2: Barragem de terra
Já nas barragens de concreto, como na Figura 3, os instrumentos utilizados para o monitoramento e segurança devem ser monitorados de acordo como o tipo de barragem de concreto, tendo em vista que elas são de diversos tipos. Os fatores que devem ser analisados são a gravidade, contraforte ou gravidade aliviada, arco e ainda em função do método construtivo como por exemplo, barragens de concreto compactado a rolo.
Figura 3: Barragem de Concreto
Em seu curso de barragens, a Brasil (2020) cita MSIB (200) para falar que a supressão e percolação de água são as principais causas de instabilidade em potencial sob condições normais de carregamento, de parte ou da totalidade das estruturas.
3.2.1 BARRAGENS TIPO GRAVIDADE
Na instrumentação de barragens tipo Gravidade se avalia a supressão de fundação no contato entre o concreto e rocha, temperatura do concreto e sua dissipação ao longo do tempo, deslocamentos e recalques da fundação. (BRASIL, 2002).
3.2.2 BARRAGENS DE CONTRAFORTE
Em barragens de Contraforte monitoram-se os mesmos aspectos da barragem tipo gravidade, porém, neste caso, o comportamento se difere pelo fato de que as tensões são mais altas e mais uniformes. Além disso, esse tipo de barragem ainda sofre mais com aspectos de variações térmicas. (BRASIL, 2016).
3.2.3 BARRAGENS TIPO ARCO
Já no caso das barragens do tipo Arco, o concreto trabalha somente com compressão, como resultado disso temos a criação de um nível elevado de tensões sendo muito utilizados deformimetros e tensômetros de concreto. Assim como as barragens Contrafortes, esse tipo de barragem também é bastante afetado com as variações internas tanto em termos de deslocamento como tensões no próprio concreto. (BRASIL, 2016).
3.2.4 BARRAGENS DE CONCRETO COMPACTADO COM ROLO (CCR)
Por fim, no âmbito das barragens de concreto, a instrumentação de barragem de CCR , o fator água/cimento é bem menor e o concreto é bastante seco, isso se deve ao fato de que o método construtivo aplicado nesse tipo de barragem faz utilização de um concreto bem mais barato que o concreto convencional. Por este fator não se aceita a convencional vibração, sendo o concreto compactado com rolo, de forma similar à uma barragem de solo. (BRASIL, 2002). Em contra partida, esse tipo de construção apresenta um índice de vazios bem maior, isso torna a estrutura mais permeável, isso exigirá da instrumentação a aplicação de mantas de borracha para prevenir possíveis patologias.
3.3 INSTRUMENTOS UTILIZADOS
Após responder o que é a instrumentalização e como deve ser aplicada, são apresentados os principais instrumentos que são utilizados para fazer todos os reparos, avaliações e tomada de cuidado das estruturas de barragens. Na Figura 4 podemos ver a relação de problema (direita) e instrumento para avaliação do problema (esquerda) proposto por Silveira (2003).
Figura 4: Instrumentação e deterioração.
- Pêndulo Direto: Este instrumento, apresentado na Figura 5, serve para realizar medidas de deslocamentos horizontais de natureza relativa entre dois pontos de cotas diferentes de estruturas de concreto ou com a fundação. Em alguns casos é instalado para medir a rotação transversal ou longitudinal. (PIRES, 2019).
Figura 5: Pêndulo Direto
- Pêndulo Invertido: Este instrumento, apresentado na Figura 6, é semelhante ao pêndulo direto, no entanto difere na relação dos pontos fixos, ele mede os deslocamentos horizontais. (PIRES, 2019).
- Extensômetro de concreto: Este (Figura 6) mede a deformação do concreto. Por meio desta deformação é que se obtém a tensão que está atuando na estrutura.
Figura 6: Extensômetro para Concreto (acima à esquerda) e Termômetros para
- Piezômetro (standpipe): Através deste instrumento, conhecemos a supressão que atua exatamente no local da sua instalação. Na Figura 7 é apresentado um piezômetro em análise.
Figura 7: Piezômetro
Célula de pressão total: Serve para medir as pressões totais que atuam na zona de contato do solo com o concreto. (SILVEIRA, 2003).
- Medidor triortogonal: Este mede todos os deslocamentos entre as juntas de concreto e as zonas fraturadas nos maciços rochosos. O instrumento em questão é apresentado na Figura 8. (SILVEIRA, 2003).
Figura 8: Medidor Triortogonal de Junta
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A instrumentalização é aplicada na engenharia de forma eficaz, porém quando olhamos para os últimos acontecimentos, observamos, mediante os inúmeros acidentes, que ainda é um assunto negligenciado pela engenharia, por empresas proprietárias de barragens e pelo governo.
Uma das dificuldades encontradas pare elaborar o trabalho foi a falta de informações atualizadas quando comparadas a outras áreas da Engenharia. Pode-se traduzir isso como um reflexo da falta de empenho da própria engenharia voltada a barragens em aperfeiçoar-se na mesma proporção com a qual se aperfeiçoa as demais áreas da engenharia.
A instrumentação se faz necessária principalmente pela necessidade de monitoramento durante a vida útil da estrutura. Este artigo deixa como proposta para pesquisas futuras realizar um apanhado de novas técnicas de instrumentalização para além das convencionais.
REFERÊNCIAS
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[1] Estudante de Engenharia Civil.
[2] Estudante de Engenharia Civil.
[3] Orientador. Engenheiro Civil.
Enviado: Outubro, 2020.
Aprovado: Novembro, 2020.
