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COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXIX SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS PORTO DE GALINHAS – PE – 8 A 11 DE ABRIL DE 2013 RESERVADO AO CBDB

XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 1

MONITORAMENTO DA EXPANSÃO DO CONCRETO NA UHE PAULO AFONSO

Alberto Jorge C. Tavares CAVALCANTI Engenheiro Civil – Companhia Hidro Elétrica do São Francisco.

WillamyJannyFerreira da SILVA

Engenheiro Civil – Companhia Hidro Elétrica do São Francisco.

Thais Albino SILVA Engenheira Civil – Companhia Hidro Elétrica do São Francisco.

João Francisco Alves SILVEIRA

MSc., Engenheiro Civil – SBB Engenharia.

RESUMO O Complexo Hidroelétrico de Paulo Afonso localiza-se no rio São Francisco, na cidade dePaulo Afonso - BA.A construção de Paulo Afonso I começou em março de 1949. O aproveitamento consta de uma barragem de gravidade, sistema extravasor e uma casa de força subterrânea que começou a operar em 1954. A construção da segunda casa de força foi iniciada em 1955 e começou a gerar em 1961. A usina de Paulo Afonso III teve oinício de construção em 1967 e está em operação desde 1971. Os primeiros sintomas da reação álcali agregado (RAA) foram observados no final dos anos 70 em PA II. O projeto de instrumentação das estruturas de concreto teve por objetivo monitorar a expansão do concreto, através de extensômetros de hastes, enfocando sua influência sobre as unidades geradoras.

ABSTRACT The Paulo Afonso Hydroelectric Complex is situated in the São Francisco River, near the city of Paulo Afonso - BA. The construction of Paulo Afonso I started in March of 1949. The project consists of a gravitydam, spillway system and an underground powerhouse that started to operate in 1954. The construction of the second powerhouse has begun in 1955 and started to generate in 1961. The Paulo Alfonso III powerhouse had the beginning of construction in 1967 and is in operation since 1971. The first symptoms of the alkali aggregate reaction (AAR) had been observed in the end of years 70 in PA II. The monitoring plan of the concrete structures had for objective to measure the concrete expansion rates at the vertical and horizontal directions, through rod extensometers, in order to evaluate its influence on the generation equipments.


1. INTRODUÇÃO

O Complexo Hidroelétrico de Paulo Afonso localiza-se no rio São Francisco, na cidade dePaulo Afonso - BA. As casas de força das usinas de PA I, PA II e PA III são do tiposubterrâneo, equipadas por turbinas Francis, cujas características principais sãoapresentadas na Tabela 1. A construção de Paulo Afonso I começou em março de 1949 e foi inteiramente executadapela CHESF. O aproveitamento consta de uma barragem de gravidade comcomprimento total de 4.215 m, sistema extravasor com capacidade de 22.000 m³/s e umacasa de força subterrânea que começou a operar em 1954. A construção da segundacasa de força começou em 1955 e se deu em duas etapas. A primeira etapa, PA IIA,começou a gerar em 1961 e a segunda em 1967. A usina de Paulo Afonso III teve oinício de construção em 1967 e está em operação desde 1971 Os agregados utilizados na construção são provenientes de rochas de natureza ígnea e metamórfica. As litologias identificadas nas várias UHE’s são as seguintes: granito, biotita granito, biotita gnaisse, anfibólio gnaisse, anfibolito e anfibólio biotita gnaisse. A composição principal, na maioria, é feldpspato (55-65%), quartzo (15-35%) e biotita/muscovita (<10%). Do ponto de vista da potencialidade reativa estão presentes, os feldspatos alcalinos (microclina), o quartzo deformado com extinção ondulante e grão de quartzo estirado, este último observado apenas em PAI. [1] Os primeiros sintomas da reação álcali agregado (RAA) foram observados no final dos anos 70 em PA II, após ausina estar operando por 17 anos. Várias fissuras verticais e horizontais, acompanhandoas juntas de concretagem foram observadas nas paredes do hall dos geradores.

Casa de Força PA-I PA-II PA-III

Dimensões da caverna em metros (A/L/C)

31/15/60 37/18/104 47/19/127

No de unidades geradoras

3 3 3 4

Queda bruta (m) 81 82 81,5 82,5

Diâmetro túnel adutor (m)

4,8 5,2 5,2 8

Vazão nominal 90 110 125 266

Rotação (rpm) 200 200 200 138

Potência da turbina (MW)

60 75 85 216

Início operação 1954 1961 1967 1971

TABELA 1-Dados das casas de máquinas de Paulo Afonso

2. INSTRUMENTAÇÃO O projeto de instrumentação das estruturas de concreto teve por objetivo monitorar a expansão do concreto, causada pela RAA, segundo as direções vertical e horizontal (transversal e longitudinal) e verificar sua evolução com o tempo, atravésde extensômetros de hastes simples e múltiplos.


Foram instalados nas estruturas de concreto das usinas de PA-I, PA-II e PA-III, os instrumentos listados nas Tabelas 2, 3 e 4, respectivamente. Os arranjos e localizações dos instrumentos são mostrados nas Figuras 1 a 9. A Tabela 5 apresenta o comprimento das hastes dos extensômetros, a direção e localização, identificada pela numeração do bloco de concreto em cada usina.

Instrumentos Usina PA-I Total

GR-1 GR-2 GR-3 Extensômetro múltiplo 1 1 1 3

Medidor triortogonal de junta 1 1 2 4

Termômetro embutido - 2 - 2

Termômetro de superfície - 3 - 3

Estação topográfica - 1 - 1

Marco superficial 2 1 2 5

Marco de referência - 1 - 1

Medidor de vazão - - - -

TOTAL 4 10 5 19

TABELA2–Tipos de instrumentos instalados na UHE Paulo Afonso I

FIGURA 1- Arranjo geral da instrumentação na UHE Paulo Afonso I


FIGURA 2 -Seção transversal dos instrumentos na UHE Paulo Afonso I

Instrumentos Usina PA-II Total

GR-1 GR-2 GR-3 GR-4 GR-5 GR-6 Extensômetro múltiplo 1 3 - 1 3 - 8

Medidor triortogonal de junta - - 2 3 - - 5

Base de alongâmetro 1 - 1 - 1 1 4

Termômetro embutido - - 2 - - - 2

Termômetro de superfície - - 3 - - - 3

Estação topográfica - - 1 - 1 - 2

Marco superficial 1 2 2 2 2 1 10

Marco de referência - - 1 - 1 - 2

Medidor de vazão - - 1 1 - - 2

TOTAL 3 5 13 7 8 2 38

TABELA 3 -Arranjo geral da instrumentação na UHE Paulo Afonso II


FIGURA 3 - Arranjo geral da instrumentação na UHE Paulo Afonso II A

FIGURA 4 - Arranjo geral da instrumentação na UHE Paulo Afonso II B


FIGURA 5 – Seção transversal dos instrumentos na UHE Paulo Afonso II

Instrumentos Usina PA III Total

GR-1 GR-2 GR-3 GR-4 T. D´agua

Extensômetro múltiplo 1 2 1 1 3 8

Medidor triortogonal de junta 1 1 1 - 3

Termômetro embutido - 2 - - 2

Termômetro superfície - 3 - - 3

Estação topográfica - - 1 - 1

Marco superficial 2 2 1 2 10 17

Marco de referência - - 1 - 1 2

Medidor de vazão 1 - 1 - 2

Bases de alongâmetro 5 5

TOTAL 5 10 6 3 19 43

TABELA 4 - Instrumentos instalados na UHEPaulo Afonso III


FIGURA 6 - Arranjo geral da instrumentação na UHE Paulo Afonso III

FIGURA 7 - Seção transversal dos instrumentos na UHE Paulo Afonso III


FIGURA 8 - Tomada D’água de Paulo Afonso III - Planta

FIGURA 9 - Tomada D’água de Paulo Afonso III - Seção Transversal


Usina Instrumento / Bloco / Direção Comprimento das Hastes (m)

H1 H2 H3

PA-I

EM-1 (G1) Vertical 13,30 10,79 -

EM-2 (G2) Vertical 13,39 10,89 -

EM-3 (G3) Vertical 12,08 9,56 -

PA-II

EM-2 (G2) Vertical 16,16 6,00 -

EM-3 (G2) Horizontal Transversal 9,52 3,60 -

EM-5 (G5) Vertical 16,16 7,86 -


EM-7 (G1) Vertical 16,76 14,26 -

EM-8 (G2) Vertical 16,98 14,48 -

EM-9 (G4) Vertical 16,98 14,48 -

EM-10 (G5) Vertical 17,26 14,76 -

EM-11(G2) Horizontal Longitudinal 12,24 - -

EM-12(G2) Horizontal Transversal 10,80 - -

EM-13(G5) Horizontal Longitudinal 13,01 - -

EM-14 (G5) Horizontal Transversal 7,46 - -

PA-III

EM-2 (G1) Vertical 10,90 - -

EM-3 (G2) Vertical 12,87 - -

EM-4 (G3) Vertical 5,65 - -



TA (PA-IIII)

EM-10 (G3) Vertical Jusante 22,64 20,04 9,92

EM-11 (G3) Vertical Montante 22,10 19,56 11,88


TABELA5 - Comprimento das hastes dos extensômetros

3. ANALISE DOS RESULTADOS

As Figuras 10 a 29 apresentam os gráficos das deformações específicas obtidas a partir dos deslocamentos medidos pelos extensômetros instalados nas UHEs Paulo Afonso I, II e III. Nestes gráficos constam a equação da reta ajustada por regressão estatística e o respectivo coeficiente de correlação R2. O coeficiente angular da reta

representa a taxa diária de expansão em microdeformação (ε.10-6) que multiplicada

por 365 resulta na taxa anual que consta da Tabela 6. Na UHE Paulo Afonso I os extensômetros verticais instalados nos blocos das unidades G1, G2 e G3 indicaram uma taxa de expansão anual variando entre 3 e 18microdeformações (ver Figuras 9 a 11), considerando as leituras das hastes 2 que estão totalmente contidas no concreto. O extensômetro instalado na unidade G3 apresentou taxa de expansão de apenas 3microdeformações por ano, devido a restrição imposta pela parede de rocha na extremidade esquerda da caverna (ver Figura 1).


FIGURA10 -Expansão vertical no bloco G1 de Paulo Afonso I

FIGURA 11- Expansão vertical no bloco G2 de Paulo Afonso I

FIGURA 12 -Expansão vertical no bloco G3 de Paulo Afonso I

As Figuras 12 a 17 apresentam os gráficos dos extensômetros verticais instalados na Usina de Paulo Afonso II.A taxa anual de expansão varia entre 7 (G1) e 27 (G2) microdeformações em PA IIa e 15 (G4 e G5) em PA IIb. Estas taxas foram


calculadas usando as leituras da haste 2. Essa haste no extensômetro 7, que indicou uma taxa de 7 microdeformações no bloco G1, aparentemente não está funcionando corretamente já que a haste 1 mediu uma taxa de 30 microdeformações por ano.Uma falha na ancoragem da haste 2 no concreto pode explicar este comportamento.Portanto, podemos considerar que o bloco G1 tem uma taxa de expansão semelhante a do bloco G2.

FIGURA 13 -Expansão vertical no bloco G2 de Paulo Afonso II

FIGURA14 - Expansão vertical no bloco G5 de Paulo Afonso II



FIGURA16 - Expansão vertical no bloco G2 de Paulo Afonso II

FIGURA 17 - Expansão vertical no bloco G4 de Paulo Afonso II



Na direção horizontal transversal a taxa de expansão variou entre 12 (G2, poço da comporta) e 34 (G2, poço da turbina) microdeformações por ano. A taxa de expansão horizontal de 34 microdeformações é superior a taxa vertical medida no mesmo bloco, 27 microdeformações por ano. Isto pode ser justificado pelo fato de que o extensômetro EM 3 esta instalado no poço da turbina, onde a temperatura é superior a 40 graus centígrados e pelo menor comprimento da haste 2 (3,60 m). Os extensômetros EM6, instalado na direção horizontal transversal, EM11 e EM 13 na direção horizontal longitudinal apresentaram leituras com grande variabilidade o que inviabilizou a análise.

FIGURA 19 -Expansão horizontal transversal no bloco G5 de Paulo Afonso II


FIGURA 20 -Expansão horizontal transversal no bloco G5 de Paulo Afonso II

FIGURA 21-Expansão horizontal transversal no bloco G5 de Paulo Afonso II

Na Usina de Paulo Afonso III os extensômetros verticais mediram taxa anual de expansão entre 11 (G1) e 25 (G3) microdeformações. Na direção horizontal transversal a taxa variou entre 0 (G1) e 11 (G2) microdeformações por ano. Neste bloco a taxa vertical medida foi de 18 microdeformações por ano o que significa uma relação de cerca de 60% entre as taxas de expansão horizontal e vertical.


FIGURA 22 -Expansão vertical no bloco G1 de Paulo Afonso III

FIGURA 23 - Expansão vertical no bloco G2 de Paulo Afonso III

FIGURA 24 -Expansão vertical no bloco G3 de Paulo Afonso III


FIGURA 25 -Expansão horizontal transversal no bloco G1 de Paulo Afonso III

FIGURA 26 - Expansão horizontal transversal no bloco G2 de Paulo Afonso III

Na Tomada Dágua da Usina de Paulo Afonso III os extensômetros verticais mediram taxas variando entre 23 (G3 montante) e 32 (G3 jusante) microdeformações por ano na haste 2 que abrange o trecho entre a fundação e o coroamento.Já a haste 3 que mede a expansão entre o nível da soleira e o coroamento, região que fica submersa a maior parte do tempo, indicou 29 (G3 montante) e 32 (G3 jusante) microdeformações por ano. Na direção horizontal transversal a taxa anual de expansão medida foi de 15 microdeformaçõespor ano no G3 o que é compatível com a taxa de expansão vertical medida no bloco G4. A taxa máxima anual de expansão vertical medida na Tomada Dágua, 32 microdeformações, é superior à medida na Casa de Força de PA III, 28 microdeformações, o que reflete a ausência de restrição à expansão do concreto na direção vertical e a maior acessibilidade de água.


FIGURA27 -Expansão vertical no bloco G3 da Tomada D’água de PA III

FIGURA28 -Expansão vertical no bloco G3 da Tomada D’água de PA III

FIGURA 29 -Expansão horizontal no bloco G4 da Tomada D’água de PA III


Usina Instrumento Taxa anual de expansão

H1 H2 H3

PA-I

EM-1 (G1) Vertical 12 18 -


EM-3 (G3) Vertical 0 3* -

PA-II


EM-3 (G2) Horizontal Transversal 14 34 -


EM-6 (G5) Horizontal Transversal Irregular Irregular -

EM-7 (G1) Vertical 30 7** -




EM-11 (G2) Horizontal Longitudinal Irregular - -

EM-12 (G2) Horizontal Transversal 12 - -

EM-13 (G5) Horizontal Longitudinal Irregular - -

EM-14 (G5) Horizontal Transversal 24 - -

PA-III

EM-2 (G1) Vertical 11 - -





TA (PA-IIII)

EM-10 (G3) Vertical Jusante 36 32 32

EM-11 (G3) Vertical Montante 24 23 29

EM-12 (G4) Horizontal Transversal 15 irregular -

*expansão restringida, **instrumento danificado TABELA 6 - Taxa anual de expansão medida pelos extensometros de haste

A Figura 30 apresenta a taxa média anual de expansão na direção vertical nos blocos de concreto, considerando as hastes totalmente contidas no concreto e inclui tambem os resultados da UHE Paulo Afonso IV publicados por Silva [2]. Observa-se que as taxas de Paulo Afonso I, II e III são menores do que as de Paulo Afonso IV e variam entre blocos da mesma Usina.


FIGURA 30 – Taxas de expansão vertical nos blocos das Usinas de Paulo Afonso

4 CONCLUSÕES

Os extensômetros de hastes instalados nas UHEs de Paulo Afonso I, II e III permitiram monitorar a taxa de expansão do concreto ao longo de um período de 12 a 22 anos de observação. Deve-se enfatizar que nesse período as deformações do concreto evoluíram de modo linear, não se tendo observado no período uma tendência de atenuação muito marcante. A taxa de expansão do concreto varia entre as três usinas,assim como entre blocos de uma mesma usina, com amplitudes entre 12 a 32 microdeformações por ano, na direção vertical. Essas taxas podem ser classificadas como de baixa e média intensidade, tendo por base os valores observados em outras barragens e usinas hidrelétricas [3]. Ressalta-se que a RAA – Reatividade Álcali-Agregado que está causando a expansão do concreto nas três usinas de Paulo Afonso estudadas, as quais estão em operação há 59, 50 e 46 anos, respectivamente, tem como mineral reativo o quartzo deformado presente na rocha granito-gnáissica utilizada como agregado do concreto [4].

5 PALAVRAS-CHAVE Instrumentação, concreto, reação álcali agregado, usina hidrelétrica


6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] LOPES, A. N. M., HASPARYK, N. P., TRABOULSI, M. A., CAVALCANTI, A. J.

C. T., SILVEIRA, J. F. A. (2001) – “Investigaçãoda RAA em Testemunhos de Concreto ProcedentesdasUHE’s Paulo Afonso I, II, III e IV”. XXIV Seminário Nacional de Grandes Barragens. CBDB. Fortaleza.

[2] SILVA, P. N., CAVALCANTI, A. J. C. T, (2006)–“ Monitoramento da Taxa de

Expansão do Concreto da Casa de Máquinas da Usina Paulo Afonso IV”, II Simpósio Sobre Reação Álcali Agregado em Estruturas de Concreto.IBRACON. Rio de Janeiro.

[3] SILVEIRA, J.F.A. (1997) – “Auscultação e Observação de Estruturas Afetadas

pela RAA”. Anais Simpósio Sobre Reatividade Álcali-Agregado em Estruturas de Concreto. Goiânia.

[4] SILVEIRA, J.F.A., DEGASPARE, J.C. e CAVALCANTI, A.J.C.T. (2000)

“Diagnosis of the Cause of the Progressive Concrete Swelling at the Paulo Afonso I, II, III and IV Underground Power Stations”. Anais ICAAR – International Conference on Alkali-Aggregate Reactivity, Montreal, Canada,.

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