COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXV SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS SALVADOR, 12 A 15 DE OUTUBRO DE 2003

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T92 - A15 MÉTODO DE AVALIAÇÃO DA INSTRUMENTAÇÃO EM BARRAGENS DE

CONCRETO

E. A. G. Orlowski V. Yamauchi M. B. Mendes M. M. Futai.

LACTEC – INSTITUTO DE TECNOLOGIA PARA O DESENVOLVIMENTO.

RESUMO O artigo apresenta um método de avaliação de instrumentação em barragens de concreto. O método é constituído de nove etapas (atividades) seqüenciais e inter-relacionadas que, ao serem aplicadas, geram documentos (saídas) essenciais para o desenvolvimento consistente da avaliação. O método é o resultado de uma pesquisa P&D do LACTEC - Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento - realizada em conjunto com a CERJ - Companhia de Eletricidade do Rio de Janeiro. Este método representa apenas um caminho adotado para formalizar e organizar as etapas que ocorreram durante os serviços de seleção e implementação de instrumentação realizados em uma barragem de concreto. ABSTRACT The paper presents an apparatus evaluation method for concrete dams. The method is made by nine sequential and inter-related steps (activities) that generate output documents when applied, essential to the consistent development of the evaluation. The method is a result of a LACTEC – Technological Institute for Development – research, made in conjunction with CERJ – Electricity Company of Rio de Janeiro. This method represents just an adopted way to formalize and organize the steps the occurred during the selection and implementation services of the apparatus executed in a concrete dam.

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1 - INTRODUÇÃO O método de avaliação da instrumentação é o resultado de uma pesquisa P&D do LACTEC - Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento - realizada juntamente com a CERJ - Companhia de Eletricidade do Rio de Janeiro. A barragem de Areal foi selecionada para o estudo por já possuir alguma instrumentação instalada e por apresentar condições de infraestrutura mais favoráveis (possibilidade de fornecimento de linha telefônica, ponto abrigado para a instalação de equipamentos de automação com energia da rede), entre outros pontos. O estudo de caso forneceu subsídios para o desenvolvimento e a validação do Método de Avaliação da Instrumentação (MAI). A barragem de Areal situa-se no Rio Preto, localidade do Morro Preto, no município de Areal, a cerca de 100 km do Rio de Janeiro. Construída em concreto massa, possui cerca de 150 m de crista, altura máxima de 32,5 m e volume de 30.000 m3 , sendo, portanto, uma barragem em concreto de pequeno porte. A Usina de Areal entrou em operação em 1949 e tem uma potência instalada de 18 MW, Figuras 1 e 2.

FIGURA 1 - Vista de jusante da barragem de Areal.

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FIGURA 2 - Vista da casa de força.

Na barragem executaram-se serviços de seleção e implementação de instrumentação e ajustes da instrumentação, seguidos de análise e interpretação dos dados obtidos do novo sistema de monitoramento. O trabalho de pesquisa consistiu em explicitar as atividades que envolveram a avaliação de instrumentação, para então, desenvolver uma sistematização deste processo, isto é, o MAI. É importante ressaltar que a estrutura de avaliação da instrumentação representa apenas um caminho adotado para formalizar e organizar as etapas deste processo. Portanto, um bom resultado na seleção, implantação e ajuste da instrumentação ou uma análise e interpretação representativa dos dados do sistema de monitoramento dependem exclusivamente das competências e conhecimentos dos envolvidos em cada atividade. Acredita-se que o tipo e a dimensão da barragem a ser avaliada não influa no método, entretanto, a complexidade no tratamento das informações pode variar, requisitando assim, um sistema informatizado de gerenciamento de dados. Os resultados dos estudos aplicados em Areal, tanto das leituras da instrumentação, como do comportamento do sistema implantado, estão sendo analisados e serão divulgados oportunamente. 2 - MÉTODO DE AVALIAÇÃO DA INSTRUMENTAÇÃO (MAI) O método de avaliação de instrumentação proposto é constituído de nove etapas (atividades) seqüenciais e inter-relacionadas que, ao serem aplicadas,

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gerarão documentos (saídas) essenciais ao funcionamento de sua mecânica. O fluxograma que resume as etapas do MAI está apresentado na figura 3. As atividades retratam o processo de avaliação, escolha e instalação da instrumentação. A avaliação está presente tanto durante a escolha, quanto na pós-instalação da instrumentação. A escolha é realizada após uma análise do estado da barragem. Os instrumentos implementados devem ser avaliados em função de sua eficiência no monitoramento da segurança da estrutura. As saídas referem-se aos documentos gerados, organizados ou atualizados durante a execução do método. São os resultados do método que constituem a memória do trabalho, podendo ser utilizadas em futuras reavaliações da instrumentação.

FIGURA 3 - Método de avaliação da instrumentação (MAI)

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2.1 – AS ATIVIDADES 2.1.1 - Documentação da barragem Esta etapa tem como objetivo a reunião e a listagem de todos os documentos existentes da barragem. Uma documentação organizada facilita consideravelmente o acesso aos dados sobre a barragem. Todos os documentos sobre a barragem (plantas, relatórios, fotos, etc) devem ser organizados. Um ponto importante a se verificar nesta fase é a existência de instrumentação na barragem. Em caso afirmativo, deve-se listar, reconstruir o "layout", indicar as localizações exatas e a precisão e freqüência de leituras de cada instrumento instalado. Caso as leituras tenham sido interrompidas, é necessário seu reinício, seja para a verificação do funcionamento da instrumentação ou mesmo para análise posterior da barragem. Outro ponto importante é a existência de modelos matemáticos para análise de comportamento. Se afirmativo, deve-se separar o documento e verificar se está em consentimento com as normas e práticas atuais, caso contrário, é imprescindível sua criação. Esta etapa prepara a documentação para a próxima, na qual será realizada uma "Pré-análise do estado da barragem". 2.1.2 - Pré-análise do estado da barragem Esta etapa tem como objetivo analisar o estado da barragem através do reexame da documentação existente. Podem-se identificar através da documentação existente os pontos na barragem onde há níveis críticos de segurança estrutural e operacional. A segurança estrutural é a mais importante, pois dela depende a estabilidade da barragem, o monitoramento neste caso é indispensável. A operacional relaciona-se ao funcionamento dos equipamentos mecânicos da barragem (por exemplo, comportas dos vertedouros). Nesta etapa planeja-se a visita técnica a ser realizada na "Inspeção visual" definindo os principais pontos a serem observados (pontos de provável ocorrência de deteriorações, anomalias, instrumentos existentes, etc). Nesta fase é melhor [1]:

• reexaminar todos os documentos de projeto e assegurar que a construção

tenha seguido exatamente os planos de projeto;

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• recuperar e reler todos os documentos de projeto relacionado à construção e aprovação da barragem;

• reavaliar a segurança da "nova" estrutura tendo em mente sua atual geometria, características do material e alguma descontinuidade, se forem relevantes.

2.1.3 - Inspeção visual Esta etapa tem como objetivo a verificação "in loco" de mudanças na integridade da barragem. Em muitos casos, mudanças na integridade da barragem podem ser detectadas somente através de inspeções visuais. Desempenham uma importante variável de decisão, para o reexame ou atualização do sistema de monitoramento. Uma inspeção detalhada para a coleta de toda a informação possível sobre a barragem deve ser conduzida antes do replanejamento da instrumentação, principalmente naquelas não submetidas à inspeções sistemáticas e repetitivas. [1] Caso exista necessidade "Investigações locais/ laboratoriais" são requisitadas. 2.1.4 - Investigações local / laboratorial Esta etapa tem como objetivo a verificação do estado da barragem através de investigações locais e/ou laboratoriais. Segundo o ICOLD (Referência 1), as investigações devem ser conduzidas somente se não houver um conhecimento inicial sobre a barragem ou sinais suspeitos de deterioração, identificando a situação atual da barragem e suas fundações, ou mesmo para justificar a necessidade de um sistema de monitoramento. Além disso as investigações devem ser programadas para [1]:

• caracterizar a barragem comparando as práticas e normas construtivas

atuais com aquelas que foram colocadas em prática quando construídas;

• detectar e quantificar o estado de deterioração dos materiais tanto para o corpo da barragem como para suas fundações;

• levantar dados que não podem ser obtidos através de instrumentação (por razões técnicas ou econômicas).

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2.1.5 - Análise do estado da barragem Esta etapa tem como objetivo a análise do estado atual da barragem através da documentação existente, inspeção visual e investigações locais ou laboratoriais realizadas. Englobando os resultados de todas as atividades anteriormente citadas, inclusive o modelo matemático (ver item 2.2.2), esta fase possibilita obter uma visão mais atualizada do estado da barragem. Com isto, identificam-se os pontos que apresentam os maiores problemas quanto à segurança estrutural e operacional, para então serem utilizados no planejamento de um sistema de monitoramento ou no planejamento de restauração estrutural ou hidráulica ( Tabela 1).

TABELA 1 - Alguns tipos de indicadores e suas causas possíveis [2]. Indicadores Causas possíveis Ocorrência de RAA; Aparecimento de fissuras; Infiltrações no concreto; Deformação da estrutura; Percolação.

Deslocamentos cisalhantes; Deslocamentos longitudinais; Alteamento da crista; Deslocamento angular; Deslocamento de fechamento; Deslocamentos diferenciais; Subpressões; Aumento das vazões de infiltração.

Na reavaliação de uma barragem, devem ser considerados o desenvolvimento do conhecimento técnico e científico e o conhecimento do comportamento passado da barragem. A implementação de um sistema de instrumentação automatizado mais eficiente que avalie a performance de uma barragem em tempo real pode ser um fator decisivo na continuidade operacional da barragem mesmo que ela não seja consistente com as normas e práticas atuais, mas consistentes com o seu comportamento pregresso, particularmente para aquelas barragens que já estiveram sob condições severas de carregamento (enchentes, terremotos). [1] Nesta etapa verifica-se a necessidade de atualização ou implantação do "Sistema de monitoramento". 2.1.6 - Sistema de monitoramento Esta etapa tem como objetivo o desenvolvimento do plano e projeto da nova instrumentação e sua instalação na barragem. Caso necessária a implantação ou atualização do sistema de monitoramento, devem ser realizados o plano e o projeto da instrumentação. A execução desta etapa consiste na seleção e implementação dos instrumentos na barragem. A seleção dos instrumentos necessários na monitoração da barragem tem como objetivo acompanhar o desempenho da estrutura hipoteticamente

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deficiente, atribuída da análise e estudo prévio de prováveis fatores que prejudiquem a funcionalidade e a segurança da mesma. Os principais objetivos da instrumentação são [2]: • Verificar se o concreto está ainda em fase de expansão; • Caracterizar a taxa “expansão x tempo” e classificar se a expansão é

uniforme, crescente ou decrescente; • Possibilitar a calibração dos modelos matemáticos de análise do

comportamento da barragem; • Verificar a eficiência das obras de reparo eventualmente implantadas; • Acompanhar o aumento da deformabilidade das estruturas, decorrente da

expansão, da intensificação da fissuração interna do concreto, verificando as suas implicações nas condições de segurança da barragem.

Os instrumentos devem ser instalados de acordo com as especificações e indicações de projeto. Todas as modificações de projeto ocorridas durante a instalação devem ser sistematicamente registradas. Estes registros poderão influir diretamente na "Análise dos dados" da instrumentação. 2.1.7 - Monitoramento Esta etapa tem como objetivo a aquisição dos dados da instrumentação instalada na barragem. O monitoramento é o período em que inicialmente são ajustados os instrumentos, verificadas as discrepâncias de calibração dos mesmos, analisados os instrumentos inoperantes, ajustado o sistema de automação. Esta é uma das fases mais importantes no processo, quando então são coletados os dados, razão pela qual a supervisão e manutenção do sistema de monitoramento em si devem ser realizadas com toda atenção e zelo. 2.1.8 - Análise dos dados Esta etapa tem como objetivo a organização, verificação da consistência e a validação dos dados de instrumentação obtidos. Após a comparação das leituras com os valores de controle, podem ser analisados os cenários obtidos: normal, de atenção, de alerta. A verificações em campo são necessárias quando há dúvida sobre valores que ultrapassam os limites sem, aparentemente, haver anomalias na estrutura. Até mesmo os valores de controle estabelecidos podem ser questionados, sendo necessária uma revisão do plano e projeto de instrumentação.

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2.1.9 - Ações corretivas Esta etapa tem como objetivo a recomendação de ações corretivas estruturais, hidráulicas ou no sistema de monitoramento. Apenas a análise dos dados não é suficiente para estabelecer um plano de ações. Novas inspeções podem ser necessárias. A recomendação de ações corretivas decorrerá de uma análise conjunta das informações obtidas pela instrumentação, dos dados levantados pelas inspeções e de ensaios e medições adicionais. Em situações especiais, instrumentos adicionais devem ser instalados para mensurar parâmetros ligados a anomalias que eventualmente surgirem nas estruturas, como, por exemplo, fissuras no concreto, transversais ao eixo da barragem, com vazão de percolação relativamente alta. Todo um conjunto de procedimentos deve ser acionado, neste caso, para primeiro mensurar e mapear o problema para, em seguida, ser adotada uma solução para reduzir ou eliminar o vazamento. 2.2 - AS SAÍDAS As saídas referem-se aos documentos gerados, organizados ou atualizados durante a execução do método. Segundo o método apresentado na figura 1, quatro são os tipos de saídas existentes: os relatórios, modelos matemáticos, planos de instrumentação e registros da instrumentação. O conjunto destes documentos constitui a base para a avaliação da instrumentação. 2.2.1 - Relatórios Todas as atividades desenvolvidas durante o método de avaliação de instrumentação gerarão documentos, abaixo direcionados:

• Documentação da barragem: levantamento e organização de todos os

documentos existentes da barragem.

• Pré-análise do estado da barragem: relatório sobre os pontos a serem observados durante a etapa da "inspeção visual".

• Inspeção visual: relatório de vistoria sobre a integridade da barragem.

• Investigações local / laboratorial: relatório de seus resultados.

• Análise do estado da barragem: relatório sobre o estado atual da barragem em função de sua segurança estrutural e operacional. Neste, é verificada a necessidade de implementação ou atualização do "sistema de monitoramento".

• Sistema de monitoramento: desenvolve-se o plano, o projeto de instrumentação e o relatório de instalação.

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• Monitoramento: aquisição de leituras da instrumentação.

• Análise dos dados: relatório sobre o estado segurança estrutural e

operacional da barragem. • Ações corretivas: documento baseado na "análise dos dados" que

recomenda ações corretivas estruturais, hidráulicas ou no sistema de monitoramento.

2.2.2 - Modelos matemáticos Atualmente, modelos matemáticos podem ser utilizados para examinar o estado atual de estruturas. O modelo deve ser considerado como parte integrante do sistema de monitoramento: tão logo o sistema de monitoramento passe a operar, o modelo teórico de referência "mensura" o comportamento ideal da estrutura. [1] O modelo matemático constitui a base da avaliação do comportamento estrutural de uma barragem. Através dessa avaliação, pode haver uma evolução dos modelos matemáticos tornando-a mais próxima da realidade na medida em que a metodologia avança. Com a atualização dos dados de inspeção visual, investigações e de monitoramento, o modelo vai sendo calibrado, proporcionando assim, uma análise mais confiável da segurança da estrutura. 2.2.3 - Planos de instrumentação O plano de instrumentação contém as diretrizes básicas do monitoramento. Estão incluídas as justificativas para a instrumentação adotada, a seleção dos tipos de instrumentos necessários, as especificações dos equipamentos, os valores de controle e o projeto da instrumentação. 2.2.4 Registros da instrumentação Os registros da instrumentação podem ser usados tanto para a localização e monitoramento de fenômenos anômalos em progresso, quanto para deduzir quais instrumentos não estão funcionando adequadamente, ou que não mais necessitam de monitoramento [1]. 3 - CONSIDERAÇÕES FINAIS O método de avaliação de instrumentação propõe uma sistematização das atividades de seleção, implementação e ajustes da instrumentação em uma

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barragem. Este método é baseado na organização, geração e/ou atualização de documentos. Portanto, um resultado satisfatório do desenvolvimento da avaliação depende majoritariamente da integração e competências das equipes que executarão as atividades. Recomenda-se que a avaliação da instrumentação deva ser realizada periodicamente em todas as barragens, cujos objetivos principais são a obtenção de uma visão atualizada do estado de segurança estrutural da barragem, a inclusão dentro de padrões de segurança e a verificação como um todo do sistema de monitoramento. 4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ICOLD, Improvement of existing dam monitoring - recommendations and

case histories. International Comission on Large Dams. 2. SILVEIRA, J. F. A. A Instrumentação de Barragens Afetadas pela

Reatividade Álcalis-Agregado. II Simpósio sobre instrumentação de barragens, Belo Horizonte, v.2, agosto, 1996.

3. CBDB. Guia Básico de Segurança de Barragens. Comissão Regional de

Segurança de Barragens - Núcleo Regional São Paulo, 1999. 4. DUNNICLIFF, J., GREEN, G. E. Geotechnical Instrumentation for Monitoring

Field Performance. Nova Yorque: Wiley-Interscience Publication, 1998. 5. ELETROBRÁS. Avaliação da segurança de barragens existentes. Ministério

das Minas e Energia, Centro da Memória da Eletricidade no Brasil, Rio de Janeiro, 1987.

6. KIENLE, J. Guide to Dam Instrumentation. Board Longyear Interfels, 2002. 7. ORLOWSKI, E. A. G., LACERDA, L. A., MENDES Jr, R., et al. Estudos e

Desenvolvimento de Metodologia de Avaliação de Instrumentação para Barragens de Pequeno Porte em Concreto - Levantamento Bibliográfico. Lactec, Curitiba, Relatório Técnico. RT LAME.4.002.2002-R0, fev. 2002.

8. ORLOWSKI, E. A. G., LACERDA, L. A., MENDES Jr, R. et al. Estudos e

Desenvolvimento de Metodologia de Avaliação de Instrumentação para Barragens de Pequeno Porte em Concreto - Metodologia de Avaliação. Lactec, Curitiba, Relatório Técnico. RT LAME.4.004.2002-R0, Maio 2002.