Boa leitura,
Materials and Materiais (matandmat.blog@gmail.com)
Um estudo numérico
de efeitos térmicos em barragens
Coelho, Nailde de
Amorim (*); Pedroso, Lineu José (**); Rêgo, João Henrique da Silva (**);
Nepomuceno, Antonio Alberto (**).
(*) Doutoranda em Estruturas e Construção Civil, - UnB;
Professora, IFSertao;
(**) Professor Doutor, Departamento de Engenharia
Civil e Ambiental – UnB.
Revisão e adequação: pesquisador Elier Pavón de La Fé (materials and materiais)
Enviado por: João Henrique da Silva Rêgo
Enviado por: João Henrique da Silva Rêgo
INTRODUÇÃO/ JUSTIFICATIVA/OBJETIVOS
No Brasil grandes projetos de barragens estão
previstos e em curso, principalmente no norte do país, fato que torna os
estudos dessas estruturas um aspecto importante e estratégico no
desenvolvimento técnico nacional. As barragens são barreiras ou estruturas que
cruzam córregos, rios ou canais para confinar e assim controlar o fluxo da água.
Podem variar de pequenos maciços de terra a enormes estruturas de concreto,
geralmente usadas para fornecimento de água, energia hidrelétrica e irrigação
(CBDB, 2008). Pedroso (2002), também afirma que são uma das formas mais tradicionais
de armazenar água é a construção de barreiras em rios que apresentem potencial hidráulico,
ou seja, vazão adequada que permita a acumulação de água.
Dentre os tipos de barragens de interesse estão às
barragens de concreto de gravidade, que são constituídas por grandes maciços de
concreto (concreto massa).As barragens de gravidade são os tipos mais comuns e
que requerem a menor manutenção, se adaptam em qualquer localidade, mas tem
limitações de altura com relação á base e á fundação (Creager, 1964). A
Eletrobrás (2000) diz que este tipo de barragem é capaz de resistir, com seu
peso próprio, à pressão da água do reservatório e á supressão das águas que se
infiltram pelas fundações.
Dentre muitos problemas existentes nesse tipo de
barragem, temos os efeitos térmicos que levam as fissurações devido ao
surgimento de tensões ocasionadas pelas variações de temperaturas internas e
externas ao volume do concreto. Segundo Fairbairn et al. (2003) as grandes
estruturas de concreto, tais como barragens, blocos de fundação e lajes de
pontes, podem estar sujeitas a fissurações em idades precoces devido ás tensões
térmicas e a indução da retração autógena. Neste aspecto, não só, são
importantes as fissuras, desde o ponto de vista de durabilidade, os gradientes
de temperatura geram também, deformações que não devem ser desprezadas numa
análise estrutural (Kawamura, 2005).
A análise do gradiente térmico antes da construção
dessas estruturas é primordial para que se possa efetuar uma prevenção das
fissuras, utilizando-se métodos de redução da temperatura. Esse diagnóstico
pode ser realizado por diversos procedimentos, em particular, com o auxilio de
uma análise numérica baseada no Método dos Elementos Finitos (MEF), que permite
uma avaliação da temperatura para diferentes propriedades, métodos
construtivos, condições iniciais e de contorno no concreto. Neste trabalho,
para um perfil típico de barragem brasileira, submetido às diversas condições
de uso corrente na execução dessas obras, é feito uma análise térmica numérica
pelo MEF com o uso do software ANSYS.
O estudo dos efeitos térmicos oriundos do calor
produzido na massa de concreto é tratado dentro de uma ampla gama de fatores
intervenientes, de forma a se evidenciar a importância e natureza dos
parâmetros que influenciam no fenômeno analisado.
Com o uso dessa ferramenta computacional o mapeamento
das temperaturas pode ser analisado, verificando-se os gradientes térmicos e,
buscando-se formas de reduzir os efeitos da temperatura. Os resultados mostram
que as variações de temperaturas na análise de uma barragem de gravidade
construída em camadas, para intervalos de lançamento entre as camadas de dois
dias. Dessa forma, observam-se diferentes temperaturas alcançadas, assim como
se pode avaliar os pontos críticos de temperatura nocivos à estrutura.
MATERIAIS/MÉTODOS/DESENVOLVIMENTO
Dentre os problemas existentes nesse tipo de barragem,
uma das grandes preocupações das empresas construtoras é com o efeito térmico
que levam às fissurações. As tensões de origem térmica podem ser devidas a
variações de temperaturas atmosféricas ou temperaturas internas (Coelho, 2012).
Em uma barragem de concreto o efeito da hidratação do
cimento produz uma reação exotérmica com uma elevação significativa da
temperatura desse material. Além do calor de hidratação existem outros
fenômenos térmicos que atuam diretamente em uma barragem: a radiação solar, a
condução e a convecção. A Figura 1 representa o fluxo de calor que ocorre em
uma barragem. Nas barragens de concreto, é reconhecida a importância da
elevação da temperatura do concreto devido ao calor de hidratação e à
subsequente retração e fissuração que ocorre no resfriamento.
Figura 1 - Fluxo de calor em barragem.
Este trabalho mostra a análise de um perfil de
barragem, o qual é baseado em uma seção típica de barragem real. No entanto,
utilizou-se altura da barragem de 10 m e as demais medidas proporcionais a essa
altura, uma vez que a simulação pode ser reproduzida para qualquer dimensão.
Para esse estudo, admitiu-se a estrutura maciça e a construção em camadas de 1
m, como mostra a Figura 2.
Figura 2 - Subdivisão ds estrutura em área e malhas de elementos finitos
Para a análise, admitiu-se também um intervalo de
concretagem das camadas de dois dias. Dessa forma, quando a terceira camada é
lançada, a segunda camada está com dois dias e a primeira com quatro dias de
concretagem. Foram empregadas para as propriedades de condutividade térmica do
concreto de 2,27 W/m°C, calor específico de 1063 J/g°C e massa específica de
2295 kg/m3. Esses valores são baseados em valores experimentais, de acordo com
Andrade (1997).
Para análise do fenômeno da transferência e geração de
calor no concreto, foi utilizado o programa ANSYS, que faz uso do método dos
elementos finitos na resolução dos problemas, por meio do elemento PLANE55 que
tem capacidade de condução térmica em duas dimensões, 2D. O comando Birth and Death
no ANSYS foi empregada para a análise em camadas. Sua função é de ativar e
desativar os elementos conforme vai prosseguindo a análise.
A simulação bidimensional instável das
várias etapas da sequencia de construção pode ser realizada com o Birth and Death
do software, que é usado para ativar e desativar elementos. Desta forma, a
análise pode ser feita com uma única malha computacional em vez de várias, uma
para cada fase de construção (Krüger et al, 2003). Marques Filho (2005) afirma
que em barragens utilizando o concreto em massa convencional a espessura da
camada varia, em geral, entre 2,0 m e 2,5 m, enquanto utilizando o método
construtivo de Concreto Compactado com Rolo (CCR) esses valores estão entre
0,25 m e 0,50 m. No entanto, Bastos (2011), afirma que para concretos não
refrigerados as camadas possuem no máximo 1 m de espessura.
É importante lembrar que Krüger (2003) fez
um estudo semelhante, analisando a barragem de Salto Caxias. No entanto, foram
verificadas no programa ANSYS, pela autora citada, apenas um determinado trecho
da barragem e não toda a sua extensão transversal, como simulado neste
trabalho.
RESULTADOS/DISCUSSÃO
As Figuras 3a e 3b mostra a evolução das
isotermas de temperatura para a concretagem da primeira e segunda camada da barragem.
Ressalta-se que as demais camadas estão desativadas, portanto, os resultados
dessas camadas não são de interesse no momento.
Figura 3 - Isotermas de temperatura após 2 dias de concretagem para 1a, 2a, 3a, e 4a camada
As Figuras 3c e 3d apresenta também, a evolução
térmica quando se concreta a terceira e quarta camada. Nota-se na terceira camada
que a temperatura máxima encontra-se no centro das camadas já concretadas e na
lateral tem-se uma temperatura em torno de 40°C. Na quarta camada, embora a
temperatura máxima permaneça no centro, nas laterais têm-se menores
temperaturas, o que aumenta o gradiente térmico.
Nas Figuras 4a e 4b, têm-se os resultados
para a concretagem da quinta e sexta camada. A máxima temperatura atingida
permanece no núcleo da estrutura e as camadas concretadas inicialmente começam
a reduzir a temperatura, ou seja, comega a haver um resfriamento dessas
camadas.
Figura 4 Isotermas de temperatura após 2 dias de concretagem para 5a, 6a, 7a e 8a camada
Na sétima e oitava camada, Figuras 4c e 4d,
o fenômeno descrito anteriormente se repete, no entanto a temperatura máxima
atingida comega a diminuir, isso devido ao tempo de concretagem. Neste caso, 14
e 16 dias do inicio da construção.
As camadas nove e dez, as últimas dessa
construção são mostradas nas Figuras 5a e 5b. Observa-se que há uma redução da
temperatura máxima atingida e também da temperatura no contorno. O valor de
temperatura máxima permanece no centro da estrutura, mas há um valor alto do
gradiente térmico, diferença entre a temperatura máxima e mínima, que pode
provocar a fissuração da estrutura.
Figura 5 Isotermas de temperatura após 2 dias de concretagem para 9a e 10a camada
CONCLUSÕES/AGRADECIMENTOS
O concreto massa devido a sua
características de grande volume e grandes dimensôes apresenta comportamento
diferenciado do concreto convencional. Há uma maior preocupação com as
possíveis fissuras que venham a surgir nessas estruturas, pois geralmente este
material é utilizado em obras de grande porte. Os casos mais comuns de utilização
são em obras de barragens, pontes e fundações. Qualquer dano que venha a
ocorrer nessas estruturas pode ocasionar grandes acidentes colocando em risco
muitas vidas humanas afetando também a economia local.
O estudo do concreto massa ou qualquer
outra estrutura antes da execução é fundamental na prevenção dos riscos. O
conhecimento detalhado da obra que se deseja construir é essencial para que
futuros problemas possam ser evitados. A temperatura no interior do concreto é
um exemplo disso, pois quando apresenta valores acima do desejável, provoca tensões
no concreto podendo levá-lo ao rompimento. No estudo de caso pode-se verificar
que o software ANSYS é um meio rápido e pratico de se obter as isotermas de
temperatura para uma estrutura. Isso implica que as estruturas podem ser
analisadas antes mesmo da construção, viabilizando assim estratégias de redução
de tensões devido aos efeitos térmicos.
De forma geral, pode-se concluir que o
ANSYS responde bem aos problemas térmicos, fornecendo respostas mais rápidas
que análises de campo ou experimentais, podendo ser utilizado como meio de prevenção
de riscos.
REFERÊNCIAS
ANDRADE, W. P. (Ed.); Concretos: Massa, estrutural, projetado e compactado com rolo. Sao Paulo: Pini, 1997. 1 v.
BASTOS, P. S. S.; Concretos especiais. Notas de aula. Universidade Estadual Paulista - UNESP, Bauru,
2011.
COELHO, N. A.; Um estudo numérico do efeito térmico em concreto massa. Dissertaçao de Mestrado.
Universidade de Brasilia - UnB. Brasilia: 2012.
COMITÉ INTERNACIONAL DE GRANDES BARRAGENS. Barragens e a Água no Mundo. Paraná: Texto Faz Comunicagáo S/S
Ltda, 2008. Título original: Dams & The World's Water.
CREAGER,
William Pitcher; HINDS, Julian;
JUSTIN, Joel
de Witt. Engineering
for Dams. New York: J Wiley 1964. 3 v.
ELETROBRÀS,
Centrais Elétricas Brasileiras S.A.; Diretrizes para estudos e projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas. Ministério de Minas e Energia;
Brasilia: 2000.
FAIRBAIRN,
E. M. R.; SILVOSO, M. M.; FILHO, R. D. T.; ALVES, J. L. D.; EBECKEN, N. F. F.; Optimization of mass
concrete construction
using genetic algorithms. Rio
de Janeiro. Elsevier: 2003.
KAVAMURA, E. E.;
Estudo do comportamento
termo-estrutural
bidimensional de barragens de concreto utilizando o Método dos Elementos Finitos. Dissertagáo de
Mestrado. Universidade Federal do Paraná - UFPR, Curitiba: 2005.
KRÜGER, D. A. V.; KAVAMURA, E. E.; CARVALHO, N. F.; HECKE, M. B.; MACHADO, R. D.; LACERDA, L. A.. Thermo-mechanical analysis of Roller Compacted Concrete Dams. Roller Compacted Concrete Dams. Holanda, p. 625-632. 2003.
PEDROSO,
J. L. Barragens de Concreto: Aspectos Gerais e Fundamentos do Cálculo de Tensöes e da
Estabilidade Baseado no Método de
Gravidade. Apostila
do Curso de
Barragens de Concreto. Universidade de Brasilia - UnB, Brasilia, 2002.
LEIA MAIS:
COELHO, N. A.; Um estudo numérico do efeito térmico em concreto massa. Dissertaçao de Mestrado. Universidade de Brasilia - UnB. Brasilia: 2012.
Disponível em: www.estruturas.unb.br
