análise sísmica e avaliação da segurança estrutural de barragens gravidade de betão ...

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ANÁLISE SÍSMICA E AVALIAÇÃO DA SEGURANÇA
ESTRUTURAL DE BARRAGENS GRAVIDADE DE BETÃO
COMPACTADO COM CILINDRO

Gilberto da Silva Monteiro
(Licenciado em Engenharia Civil)

Dissertação submetida à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
para obtenção do grau de Mestre em Estruturas de Engenharia Civil

Porto, Dezembro de 2007

FEUP - Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Departamento de Engenharia Civil

ANÁLISE SÍSMICA E AVALIAÇÃO DA SEGURANÇA
ESTRUTURAL DE BARRAGENS GRAVIDADE DE BETÃO
COMPACTADO COM CILINDRO

Gilberto da Silva Monteiro
(Licenciado em Engenharia Civil)

Dissertação submetida à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
para obtenção do grau de Mestre em Estruturas de Engenharia Civil

realizada sob a orientação de

Professor Doutor Rui Carneiro de Barros

Porto, Dezembro de 2007

PREFÁCIO E AGRADECIMENTOS

Durante os anos de 2001 e 2002 tive a oportunidade de realizar um trabalho cujo objectivo foi avaliar a
segurança estrutural, hidráulica e operacional de um grande conjunto de barragens, de pequena e
média dimensão, destinadas a diversos fins. Uma das principais actividades era apreciar, de forma
expedita, a qualidade dos projectos que tinham sido executados para cada uma dessas obras. Algumas
delas eram bastante antigas, enquanto que outras eram de construção recente.

Pude verificar que, de todas as análises estruturais, a que dizia respeito à avaliação do comportamento
estrutural perante a acção sísmica era, na maior parte dos casos, inexistente, ou estava remetida para
cálculos sumários que apresentavam lacunas consideráveis. No desenvolvimento deste trabalho,
constatei, também, que esta circunstância se estende a obras de grandes dimensões existentes pelos
mais diversos países.

A elaboração desta tese representa a conclusão de um objectivo pessoal pelo qual me debati imenso e
que, após o longo período decorrido desde essa data, agora apresento. É meu desejo que este trabalho,
que pretende abordar algumas das questões relativas à segurança estrutural em barragens face à
actuação das acções dos sismos possa vir a ter alguns aspectos positivos e úteis a quem se venha a
interessar por estas matérias.

Durante o caminho de estudo percorrido que resultou na elaboração deste texto foram muitas as pessoas
a quem devo os meus maiores agradecimentos. Desejo, no entanto, expressar a minha gratidão às
seguintes pessoas e entidades:

− Ao Professor Rui Carneiro de Barros, orientador deste trabalho, a quem agradeço o apoio
prestado, a atenção dispensada ao longo da elaboração deste trabalho e suas sugestões nos
vários assuntos que são apresentados;

− Ao colega Eng. José Paixão, inexcedível e sempre prestável, pelo seu incitamento, disponibilidade
e apoio no esclarecimento de dúvidas e indicação de bibliografia, que enriqueceu a minha
biblioteca e que em muito me ajudou a concluir este trabalho;

− Os agradecimentos são também devidos ao Earthquake Engineering Research Center, University
of California, Berkeley, e referem-se à amabilidade na cedência de algumas publicações, que
me serviram para aprofundar e compreender as matérias tratadas neste estudo, e que cito nas
referências deste texto;

− Ao colega e amigo Sr. Alfredo Veríssimo, pelo seu incentivo constante e experiência de vida
transmitida ao longo deste percurso;

− Desejo também agradecer à empresa EDP – Energias de Portugal, nas pessoas que permitiram
que fosse possível a elaboração deste trabalho, o qual foi muitas vezes realizado no decurso do
funcionamento de uma empresa;

− E em especial à minha esposa Ana e à minha filha Mafalda, a quem dedico este trabalho, pela
paciência e compreensão manifestada em face da minha ausência ao longo de muitos
períodos.

Cada capítulo começa por uma afirmação de autores conhecidos, que pretende servir como incentivo à
leitura do presente texto. Um caminho que ambiciona ter um princípio e também uma chegada.

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RESUMO

As barragens são estruturas construídas pelo homem que apresentam uma enorme importância para a
nossa sociedade uma vez que asseguram, sob diversos aspectos, uma melhor qualidade de vida às
populações que servem. Estas estruturas permitem armazenar nas albufeiras grandes quantidades de
água que pode ser utilizada para produzir energia, abastecimento de água a populações, rega agrícola,
reserva de água para combate a incêndios, desenvolvimento de actividades turísticas e de lazer e em
alguns casos promover a navegabilidade de rios.

Os aspectos ambientais e a minimização dos riscos associados a este tipo de estruturas constituem
questões de interesse recente e crescente. As necessidades de construção de novos aproveitamentos,
em que a redução de custos é um aspecto primordial, têm permitido o aparecimento de novas
metodologias de construção.

Destaca-se, pela sua importância, a realização de estruturas de barragens gravidade em betão
compactado com cilindro (BCC), designadas na literatura anglo-saxónica por roller compacted concrete
(RCC).

O principal objectivo da presente dissertação é o de apresentar os aspectos fundamentais destas obras e
os fundamentos da análise estrutural às principais acções de dimensionamento, com destaque para a
acção sísmica. Apresentam-se metodologias para o cálculo sísmico de barragens de betão, em particular
as aplicáveis às barragens gravidade construídas em betão compactado com cilindro. As questões são
apresentadas com um desenvolvimento que visa proporcionar uma análise numa perspectiva evolutiva.

Procede-se a uma descrição histórica resumida e apresentam-se as principais características deste tipo
de obras em termos de geometria, materiais empregues e métodos de construção. Descrevem-se os
aspectos essenciais para compreender o fenómeno sísmico, sendo também referido um trabalho de
pesquisa bibliográfica relativo ao comportamento observado em obras que foram sujeitas a sismos
intensos.

Neste trabalho apresenta-se também as principais acções a considerar na análise estrutural e os critérios
de dimensionamento, em termos de combinação das acções de cálculo e coeficientes de segurança,
aspectos que são enquadrados através da legislação portuguesa e a publicada internacionalmente.
Definem-se os diversos tipos de sismos a adoptar em projecto e são apresentados alguns métodos para a
determinação desses valores. As propriedades dos materiais são também analisadas, indicando-se alguns
valores de referência constantes da bibliografia.

Um aspecto importante na análise estrutural das barragens gravidade em BCC é o referente aos cenários
de rotura devido às acções sísmicas que, quase sempre, condicionam o dimensionamento e a
verificação da segurança. Assim, procede-se à apresentação e análise dos critérios associados à
verificação do comportamento e da estabilidade global deste tipo de estruturas a estas acções.

Para ilustrar os diversos temas apresentados foi considerada a análise de uma barragem gravidade de
betão compactado com cilindro e para a qual se efectuou o estudo estrutural utilizando-se os métodos
apresentados e programas de cálculo específicos disponíveis. Destas análises são apresentados os
principais resultados e as principais conclusões.

Por último é referida a questão das metodologias de observação de barragens à acção sísmica
considerando os diversos tipos estruturais.

Palavras-chave: Barragem, estrutura, betão compactado com cilindro (BCC), acção sísmica, cálculo
estrutural, análise do comportamento, observação sísmica.

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ABSTRACT

Dams are structures build by man that have enormous importance to our society by ensuring a better
quality of life for the people they serve. These structures can store water in reservoirs in large quantities that
can be used to produce energy, populations water supply, agricultural irrigation, water for fire fighting,
leisure activities and promote the navigability of rivers.

The environmental aspects and minimize the risks associated with this type of structures are of recent
interest. The needs for construction of new multipropose hydro shemes, in which the reduction of costs is a
key aspect, have allowed the emergence of new methods of construction. It is, by its importance, the
technique of roller compacted concrete gravity dams (RCC).

The main objective of the present dissertation is to present the fundamental aspects of these works and the
fundamentals of structural analysis, with emphasis on the study of behavior to the seismic action. The issues
are presented with a development that aims to provide an analysis in evolutionary perspective, with
particular emphasis on methodologies that are applied through the main programs that are currently
available, in particularly for gravity dams constructed with roller compacted concrete technology.

It is presented a brief historical description of construction of dams and the main characteristics in terms of
geometry, materials used and construction methods. Also, and to understanding the seismic phenomenon,
it is referred the observed behavior of dams when they were subject to strong earthquakes.

In this work it is also presented the main measures to be considered in the structural analysis and design of
the criteria in terms of combination of diferente events and the calculation of safety coefficients, which are
governed by national regulation law and other published texts in diferent countries. The different types of
earthquakes to be adopted in project is defined and presented some methods for determining these
values. The properties of materials are also analyzed and it is indicated some reference values.

An important aspect of the structural analysis of gravity dams is the seismic rupture scenarios. Thus, it is
presented and analyzed the criteria associated with the verification of the behavior and the overall
stability of such structures to these actions.

To illustrate the various topics presented in the analysis it is carried out the structural study of an exemple of
a roller compacted concrete gravity dam, using the methods presented and specific programs available,
and the main results are also presented.

Finally, the methods of observation of dams to seismic action considering the various structural types of
structures are referred.

Keywords: Dam, structure, roller compacted concrete (RCC), seismic action, earthquakes, structural
analysis, behavior analysis, seismic observation.

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