AVALIACAO DAS TENSOES NAS ARMADURAS DAS VIGAS E LADE DO

BLOCO 71 DO VERTEDOURO DA USINA HIDRELETRICA DE TAQUARUqU

PELO METODO DE TREPANACAO

Eng4 No Assad Ibri (1)

Eng2 Rui do Azevodo (1)

Eng° Antonio Reno C. A. do Paula Leite (2)Eng° Julio CAsar Astolphi (2)

( 1) Hidroservice Engenharia Ltda.(2) CESP - Companhia Energdtica de Sao Paulo

RESUMO

Apresentam-se, neste trabalho, os estudos te6ricos Para detecgao das causas da fissuragaoocorrida em vigas a labs do concreto armado da sala de comando do bloco 71 do Vertedouroda Usina Hidrel6trica do Taquarugu. Expoe-se, posteriormente, m6todo experimental do aliviodo tens6es portrepanagao nas armaduras, utilizado para subsidiara hip6tese te6rica selecionadae concluir sobre a seguranga da estrutura para futuros carregamentos a qua estar6 submetida.

1. GENERALIDADES SOBRE A USINAHIDRELETRICA DE TAQUARUgU

A Usina Hidrel6trica de Taquarugu esta situada no rioParanapanema, na divisa dos Estados de Sao Paulo eParana, a jusante da Usina de Capivara e a montantede Rosana.

A using consiste basicamente de barragens de solocompactado em ambas as margens, associadas aestruturas de concreto destinadas a alojar os equi-pamentos de geragao a os dispositivos de extravasao,situadas sobre o leito original do rio. 0 comprimentototal da obra 6 de cerca de 2.000 m (sendo 528,80 mem concreto) e a altura maxima 6 de 61,00 m. NaIlustragao 1, em anexo, 6 apresentado um desenho deconjunto das estruturas de concreto.

A usina, qua esta na fase de montagem dos equipamen-tos principals, dispora de 5 unidades de turbina Kaplancom potencia unitaria de 100.800 kN a seu vertedouro6 de superficie com soleira Creager, composto por9 vaos dotados de comporta-setor com descargamaxima de projeto de 18.100 m3/s.

O empreendimento 6 de propriedade da CESP, tendosido seu projeto elaborado pela HIDROSERVICE a asobras executadas pela construtora MENDES JR.

2. DESCRIcAO DO FENOMENO OCORRIDO EOBJETIVOS

O conjunto de vertedouros compreende 10 blocosnumerados de 71 a 80 , sendo que os dois extremos(bloco 71 do lado da margem direita e o bloco 80 do lado

da margem esquerda) sao blocos especiais, com afungao de fazer a transigao do vertedouro para asestruturas adjacentes; os demais sao blocos tipicos.

Cada bloco tipico apresenta urn pilar central qua servede apoio a duas comportas adjacentes. 0 bloco 71 faza transigao do vertedouro para o muro central a para acasa do maquinas, registrando-se que metade do blocoapresenta a segao transversal de vertedouro e a outrametade corresponde a um macigo de concreto, quarecebe as reagoes da comporta. Nas Ilustragoes 2 e 3,em anexo, sao apresentados uma plants a um corte dobloco 71 a na Ilustragao 4 6 apresentada uma plantadetalhada da laje objeto deste trabaiho.

Imediatamente abaixo da crista do bloco 71 existernalguns compartimentos destinados a abrigar pain6isel6tricos. Na laje de cobertura destes compartimentos,que corresponde a crista da barragem, foi detectada emmaio de 1990, a existdncia de algumas fissuras.

As equipes de projeto da CESP e da HIDROSERVICEprocederam imediatamente a uma inspegao no local,observando tratar-se de fissuras passantes com aber-turas m6dias de 0,3 mm nas lajes a 0,6 mm nas vigas.

Foram analisadas diversas hip6teses sobre as causasdessa fissuragao, tendo-se elaborado simulagoeste6ricas a partir das hip6teses julgadas mais plausiveis.Os resultados desses estudos te6ricos foram entaoconfrontados com os resultados de ensaios de alivio detens6es pelo m6todo de trepanagao nas armaduras dasvigas a lajes.Assim sendo, pode-se verificar o n ivel de tensoes atuan-tes a conhecer a reserva resistente da estrutura para

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suportar os esforgos adicionais advindos do fechamen-to das comportas e enchimento final do reservat6rio.

0 presents trabalho expoe as analises te6ricas efetua-das, bern como a metodologia dos ensaios e asconclusoes obtidas.

3. ANALISE DAS CAUSAS DA FISSURAtAO

3.1 Hipdteses Descartadas

Das hip6teses possiveis sobre as causas do quadrofissurat6rio da estrutura , foram descartadas as seguin-tes:

a) Reca/ques Diferenciais de Fundacao

A instrumentacao disponivel de blocos adjacentesnao indicou a ocorrencia de recalques diferenciais,confirmando a uniformidade e boa qualidade darocha de fundacao. De outro lado, nao so constata-ram fissuras de usalhamento, tipicas de recalquesdiferenciais , nas parades do suporte das vigas elajes do bloco 71.

b) Cargas Acidentais Excepcionais

0 quadro fissurat6rio existente no local nao 6 tipicode flexao , uma vez que as fissuras sao passantes,incluindo regioes das secoes transversais que es-tariam comprimidas por esforgos fletores.

Embora a fiscalizacao da obra houvesse informadoa ocorrencia de patolamento sobre a laje com autilizagao de guindaste PH-40, os esforgos oriundosdesta operacao ja haviam sido verificados polo

projeto , sem possibilidades de danos 6 estrutura.c) Protensao do Pilar do Bloco 71

A data de protensao, anterior a concretagem dasvigas e lajes do bloco 71, invalidou a associaga-odeste evento com o quadro fissurat6rio existente.

3.2 Hipdteses Plausiveis

Como hip6teses plausiveis sobre as causas da fissura-gao das lajes e vigas do bloco 71, consideram-se:

• esforgos de tragao no piano de laje oriundos deretragao termohidraulica do concreto as primeirasidades;

• perdas de protensao do pilar do bloco 71.

3.3 Calculos Estruturais

Estas duas hip6teses originaram tras calculos de ava-Iiagao do campo de tensoes, conforms se segue:

Calculo A: considerou-se uma perda de protensaoavaliada como 50% da perda nao imediata.

C:lculo B: considerou-se uma variagao uniforme detemperatura igual a -10° nas lajes e vigas.

Calculo C: combinagao da ocorrencia simultanea doscarregamentos descritos nos calculos A eB.

Estes calculos foram elaborados utilizando o programa

SAP90 (Elementos Finitos), sendo apresentados em

anexo os graficos correspondente ao calculo A.

Para estes calculos , adotaram -se os seguintes parame-tros para o concreto armado , considerando - se que ofenomeno de fissuracao tenha ocorrido as primeirasidades ap6s a concretagem:

• m6dulo de deformacao : 100.000 kgf/cm2;

• resistdncia caracteristica a tragao : 15 kgf/cm2;

• ago CA-50A.

3.4 Andlise dos Resultados dosCAlculos A, B e C

A combinacao das awes traduzidas pelo calculo A(perda parcial de protensao no pilar, e pelo calculo B(abaixamento uniforme da temperatura na laje) for-neceram resultados que permitern explicar o mecanis-mo responsavel pelas fissuras na estrutura.

Assim 6 que do calculo A resultaram tensoes na direcao

perpendicular as fissuras , por6m com intensidadesrelativamente baixas (tensao de tragao maxima igual a1,8 kgf/cm2).

Em contrapartida, no calculo B o fenomeno inverteu-se,isto 6, as tensoes de tragao alcangaram valores signifi-cativos (tensao de tragao maxima igual a 7,9 kgf/cm2),por6m com diregoes pouco sugestivas.

No calculo C, associacao dos dois anteriores, os niveisde tensao alcangaram valores ligeiramente mais eleva-dos (tensao maxima de tracao igual a 8,2 kgf/cm2) com

direrao perpendicular as fissuras.Com base nestes ultimos resultados , pods -se depreen-der que, do ponto de vista qualitativo, foi valido supor

que estavamos diante da combinacao das agues previs-

tas no caso C, levando-se em conta uma das seguintescondi96es: ou o processo se deu nos primeiros dias doidade do concreto, quando a resistencia caracteristicaapresentava ainda valores inferiores aqueles conside-rados nos dados basicos, ou a redugao de temperaturana ocasiao foi mais acentuada , por exemplo , 15°C ou20°C.

Nas ilustragoes 5, 6 e 7, em anexo , sao apresentadasa discretizagao da laje a os campos de tensoes nasduas diregoes, obtidos para o calculo A (a titulo deexemplo).

3.5 Outras Simulagoes Estruturais

AI6m dos calculos destinados a averiguar o mecanismode formagao de fissuras, foram elaboradas mais duasseries de estudos te6ricos:

a) A primeira, com o objetivo de avaliar o estado atualde tensoes, sobrepondo- se aos resultados da-queles calculos, os efeitos do peso pr6prio, desobrecargas, de variagoes t6rmicas e da perda deprotensao nao imediata.

b) A segunda, para a verificadoo das condigoes da

estrulura para o carregamento superveniente,decorrente do enchimento do reservat6rio.

4. VERIFICAcAO EXPERIMENTAL - METODO-

LOGIA DOS ENSAIOS DE TREPANACAO

Selecionada a hip6tese mais plausivel sobre as causas

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da fissuracao conforme jA descrito , efetuaram-sa on-saios para confirmacao do nivel real de tensoes atuantenas armaduras.

Todos os ensaios de laboratbrio e campo foram exe-cutados pela equipe do Laboratbrio de Engenharia Civilda CESP de Ilha Solteira, com supervisao das equipesde projeto da CESP e da HIDROSERVICE.

4.1 Metodologia dos Ensaios

Os ensaios foram realizados atraves datecnicade aliviodo tensoes por trepanag&o. Esta tecnica consiste naexecucao de furo na armadura, nas bordas do qual, nadirecao da barra, sao colados extensometros micror-resistivos ( strain-gages). Ap6s a furagao, parcela datensao atuante no ponto a detectada pelos extensome-tros adjacentes na forma de deformacoes especificas.0 processo foi calibrado previamente em Iaborat6rio,obtendo-se uma constants multiplicadora das deforma-goes especificas aliviadas para avaliagao da tensao noponto onde se executou a trepanagao, conforme aseguir descrito.

4.2 Calibracao do Processo de Trepanacao

A calibragao do processo foi efetuada em laboratbrioatraves do ensaio de barras de ago do diametros 16 mme 20 mm, do acordo com as etapas a seguir:

a) Para cada diametro de interesse , foram seleciona-dos 2 segmentos de barras de ago de mesmasclasse e categoria das indicadas nos certificados decontrole da qualidade do lote empregado naexecugao das lajes e vigas do bloco 71.

b) Preparou -se a superfIcie para colagem de exten-sometro , atraves de esmerilhamento , visandoeliminagao de mossas , com comprimento e larguraminimos de 25 mm e 10 mm , respectivamente.

c) Colaram -se dois extensometros de base 5 mmseparados conforme o esquema a seguir:

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d) As barras foram posicionadas na maquina, efetuan-do-se ligagao de 1/4 de ponte para leitura inde-pendente dos dois extensometros.

e) Aplicaram -se esforgos de tragao de 250 MPa comleitura dos extensometros nos est6gios de 50 MPa,150 MPa e 250 MPa, calculando-se a media dasdeformagoes medidas.

f) Com a barra tracionada , procedeu - se a furagao nocentro da distancia entre os dois extensometros,utilizando - se furadeira manual de 2.900 rpm,acoplada a brocas de 2,0; 2,5; 3,5 e 4,0 mm dediametro ; para cada uma delas , efetuou-se afuragao ate o dobro do diametro da broca utilizada,

ate o diametro de 4,0 mm por 8,0 mm de profun-didade. Ao fim de cada uma destas furacoes,

executou -se a leitura dos extensometros.

g) Efetuou-se o descarregamento da barra ate50 MPa, e obtiveram-se graficos tensao X defor-macao na forma que se segue:

Calculou-se, posteriormente, o coeficiente de aliviosegundo a expressao:

K^ (Ea - Eo) x 100

Ee

onde:

Ea = deformagao especifica aliviada com a barrasob tensao.

Co = deformagao especifica na barra ap6s alivioe descarregamento.

Ee = deformagao elastica ao fim do tensionamentoda barra.

Obteve-se, neste ensaio , o valor medio K4 = 25% sig-nificando que, em media , os extensometros registram25% da deformagao especifica associada a tensaoatuante no local de furagao, indicando clue os valoresde campo deveriam ser multiplicados polo fator 4 paraavaliagao da grandeza da tensao no ponto de alivio.

4.3 Tensao Residual e Avaliacao da TensaoAtuante na Armadura

Durante a trepanagao da armadura , aliviam-se as ten-soes mecanicas oriundas dos esforgos externosaplicados e a tensao residual devida aos processos de

usinagem do ago.

Cumpriu, assim , separar as duas parcelas pela ava-liagao da tensao residual, utilizando-se o mesmoprocedimento de alivio de tensoes descrito anterior-mente , sem, contudo , submeter a barra a quaisqueresforgos mecanicos.

Para cada diametro (16 a 20 mm) foram efetuados8 ensaios , em barras colhidas do mesmo lote for-necedor das barras ensaiadas para calibragao doprocesso de trepanagao. dispondo-se , portanto de16 ensaios com a determinagao da deformagao residualdo ago. Por ser um parametro de alta dispersao, optou-se por um numero relativamente alto de ensaios de

XX SeminBrio Nacional de Grandes Barragens 135

modo a permitir sua avaliacao experimental maisacurada.

Obtiveram -se os valores ER = 20,7 x 10-6 eSR = 9,7 x 10, 6 - respectivamente a media e o desvioPadrao da deforma9Ao residual do ago.

Tais resultados permitiram avaliar um valor caracteris-tico superior para as tensoes obtidas no ensaio decampo.

4.4 Tensoes Aliviadas na Armadura da Estrutura

Para avaliacao das tensoes aliviadas na armadura daestrutura , utilizou -se a seguinte expressao:

CA - ERt3s=• xEs

K4

onde:

CA deformag&o especifica total aliviada portrepanacao.

ER deformacao especifica residual devida Ausinagem do ago.

K$ constante de calibracao do processo detrepanacao.

Es modulo de deformacao do ago.

0 sinal negativo da expressao a corretor da inversao desinal entre tensoes efetivamente atuantes e aliviadas,inerente ao processo de trepanacao.

As fotos numeradas do 1 a 6 ilustram as oporacoos doensaio no campo.

5. ANALISE DOS RESULTADOS DOS ENSAIOSDE CAMPO

A Tabela 1, a seguir , que apresenta a sintese dosresultados , traz dois valores das tensoes nas ar-maduras das seg6es fissuradas.

O primeiro e o valor medio, as calculado com a

deformacao residual mediaER= 20,7 x 10-6; o segundo,

asK e o valor caracteristico superior calculado com adeformacao residual caracteristica superior , definido

pelo quantil de 95% , assumindo - se que a probabilidadede ocorrbncia de valores superiores aquela tensao

caracteristica a de 5%. Na iiltima coluna da Tabela 1

pode -se visualizar , tambem, os valores teoricos es-

timados nos mesmos pontos , conforme o modelo

tebrico adotado.

Pode -se observar na Tabela 1 quo todos os valoresobtidos para as tensbes sao de trag&o , com resultadosprbximos das previsoes teoricas nos pontos 131, situadona laje e B7 na viga V2 , registrando -se que o modelo

tebrico assume que as barras correspondentes aospontos B2 e B6 sAo paralelas a direcao de fissuracAo e

nao apresentou , por esta razao, valores teoricos das

tensbes nestes pontos . Em realidade , a diregao das

fissuras evidenciou -se obliqua as barras e os ensaios

destas barras revelaram , tambem , tensbes de tracaobastante distintas entre si , podendo - se atribuir estadiferenciacao a distintas condig6es de vinculo e dedirecionamento da fissura que as interceptava.

Do fato , a lajo L2 oncontra -se engastada na parade dodirecao montante -jusante em uma borda e, na outra,apoiada na viga V1 , as quais , sem duvida , apresentamsubstancial diferenr a de rigidez. De sua vez, a laje L3esta apoiada em duas vigas , V1 e V2, de idbnticarigidez.

Tais condicoes de vinculo da estrutura e direcionamen-to da fissuracao afetam , tambem , as barras correspon-dentes aos pontos B1 e B5 que sao paralelas entre si eortogonais as anteriormente consideradas , indicandoque, de fato , aquelas condigoes do contorno distintasprovocam diferentes distribuig6es de esforgos nas duasdirecoes das lajes L2 e L3.

No que respeita aos ensaios nas barras da vigas V1 eV2, tambem se verificaram diferengas significativasentre as tensoes nos pontos B3 , B7 e B8. De fato, asvigas V1 e V2 recebom contribuicoes distintas do car-regamentos das lajes nelas apoiadas , devendo-se con-siderar a abertura de dimensoes consideraveis(3,0 x 4,0 m), separadora das lajes L4 e L5 (videIlustrarao 4), que minors o carregamento da viga V2.

De quaiquer modo, o nivel obtido das tensoes ostamuito aquem da resistencia de calculo a tracoofyd = 4.350 kgf/cm2 para o ago, evidenciando-segrande reserva resistente para a armadura na regiaodas fissuras . Esta reserva deverA ser mobilizada quan-do do enchimento final do reservatbrio que, a9indosobre as comportas do Vertedouro, acarretarA esforgosna laje e vigas semelhantes aqueles que foram conside-rados na porda do protensao dos pilares.O cAlculo dentes esforgos , leva a tensoes de tracAo naarmadura da ordem de 932 kgf /cm2, que , somados aosesforcos revetados pelos ensaios de trepanacao, elevaas tensoes na armadura para urn patamar de tracaomAximo de 2.100 kgf/cm2, aproximadamente.

6. CONCLUSOES

Os ensaios de trepanacao na armadura das vigas e lajedo bloco 71 na cota 286,98 m do Vertedouro da UsinaHidreletrica de Taquaruqu comprovaram ser bastanteplausivel a hipbtese de que as causas da fissurarao Iaocorrida estao associadas A retrag&o termohidrAulicacombinada com perdas de protensao do pilar daquelebloco.

De outro lado, os ensaios evidenciaram tensbesmAximas de tracao na armadura da segAo fissurada daordem do 1.200 kgf/cm2, valor que, adicionado aoesforgo previsto devido ao empuxo nas comportasquando do enchimento final do reservatorio, chega aopatamar maximo de 2.100 kgf/cm2, consideravelmenteinferior a resistbncia A tracao de projeto Para o ago, iguala 4.350 kgf/cm2.

Assim, permitiu-se afirmar que a fissuragao ocorridanAo comprometeu a seguranga daquela estrutura, umavez que ola mantem reserva portante suficiente para aabsorcao de futuras solicitacbes.

136 XX Seminerio Nacional de Grandes Barragens

Cumpriu , pois, adotar providencias de protecao daestrutura a do equipamento nela instalado contrainfiltracoes de Aguas pelas fissuras da laje que, supe-riormente , se presta a transito na crista do vertedouro.

Para tanto , adotou -se resina de baixa viscosidade paravedacao das fissuras da laje e selamento subsuperficialdas descontinuidades nas vigas.

De resto , cabe registrar que a t6cnica de allvio detensoes em armaduras pelo m6todo de trepanacaomostrou•se recurso experimental valioso , destinado a

aferir hip6teses te6ricas associadas , principalmente, aproblemas de seguranga estrutural.

7. AGRADECIMENTQ$

Os autores agradecem a CESP - Companhia Ener-g6tica de Sao Paulo , a HIDROSERVICE EngenhariaLtda., respectivamente proprietaria e projetista da obra,pela autorizacao para publicacao deste trabalho e aoapoio a incentivo na sua alaboracao.

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FOTO 1 - ASPECTO DA REMOcAO DO RECOBRIMENTO DA LAJE E PREPARA QAODA ARMADURA PAPA INSTALAQAO DOS "STRAIN -GAGES"

FOTO 2 - ARMADURA EXPOSTA PELA REMOcAO DO RECOBRIMENTO NA VIGA V2.E VISIVEL A FISSURA TRANSVERSALMENTE A FISSURA.

146 XX Seminario Nacional de Grandes Barragens

FOTO 3 - VISTA DA ARMADURA DE TRAcAO A INSTRUMENTADA DA VIGA V1.

FOTO 4 - IN[CIO DA TREPANAcAO DA AR-MADURA DA LAJE L3. OBSERVA- SE DIS-

POSITIVO GUIA DA PERFURATRIZ.

XX Saminirlo NaclonN do Gran dos Barrogens 147

FOTO 5 = 'OUTRA VISTA DO DISPOSITIVOGUIA COM 0 RELOGIO COMPARADOR

UTILIZADO PARA CONTROLE DAPROFUNDIDADE DE PERFURACAO

FOTO 6 • ASPECTO DO EOUIPAMENTODE LEITURA DOS "STRAIN-GAGES"(INDICADOR E CAIXA DE LIGA(;AO).

148 XX SeminJrio Nacional de Grandes Barragens