Instrumentacao Fundao

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COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS III SIMPÓSIO SOBRE INSTRUMENTAÇÃO DE BARRAGENS SÃO PAULO – SP, 12 A 14 DE SETEMBRO DE 2006 RESERVADO AO CBDB

III Simpósio sobre Instrumentação de Barragens 1

INSTRUMENTAÇÃO POR FIBRA ÓTICA EM BARRAGENS NO BRASIL –ESTUDO DE CASO PIONEIRO UHE FUNDÃO

Douglas Emerson MOSEREng.º Civil – LACTEC – Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento.

Marcos Alberto SOARESEng.º Civil – COPEL – Companhia Paranaense de Energia.

José MARQUES FILHOEng.º Civil – COPEL – Companhia Paranaense de Energia.

Markus AUFLEGEREng.º Civil – TUM – Universidade Técnica de Munique.

RESUMO

Este trabalho visou contribuir para a resolução do problema de como melhorar ainstrumentação de barragens de CCR, visando propiciar melhor conhecimento dascaracterísticas do material e da estrutura, contribuindo para implantação de medidasde prevenção de patologias que possam interferir na segurança e na durabilidade. Otrabalho teve como objetivo verificar se a instrumentação por fibra ótica propiciamaior abrangência de amostragem e conhecimento de múltiplas características debarragens de CCR. Para o desenvolvimento do trabalho foram comparados doissistemas de instrumentação por fibra ótica com um sistema de instrumentaçãoconvencional. Os três tipos foram aplicados tendo como protótipo a barragem deconcreto compactado com rolo (CCR) de UHE Fundão durante seu períodoconstrutivo. Como limitação da pesquisa, esta comparação foi feita baseado apenasna medição da temperatura, visto ser esta uma das mais importantes característicasa ser medida durante a construção de uma barragem de concreto.

ABSTRACT

This research has been developed with the aim of contributing to the improvement of

instrumentation of RCC dams, envisaging better knowledge of materialscharacteristics and structural behavior, contributing to the installation of preventiveactions to inhibit pathologies, which may interfere in structural safety and stability. Inthis sense, this work had the objective of verifying whether the optic fiberinstrumentation could provide a wider knowledge of several characteristics of rollercompacted concrete dams (RCC). As a result obtained from this work, it could beconfirmed the research hypothesis, providing a new technological knowledge to thenational Dams technical field. For the development of this work two optic fiberinstrumentation systems were compared to a conventional one. The three systemswere applied in the RCC dam of the Hydroelectric Powerplant of Fundão during theconstruction period. In order to establish limits for this research, the comparison was

restricted to temperature measurements, since this is one of the main parameters tobe followed during construction of a concrete dam.




1. INTRODUÇÃO

Sabendo-se que a instrumentação é elemento vital para a segurança das barragens, opresente trabalho buscou contribuir ao meio técnico nacional com uma experiênciabrasileira com esta nova ferramenta para melhor entendimento do comportamento de

estruturas de barragens de Concreto no tocante a controle da temperatura através desensores de fibra ótica. Esta tecnologia, já aplicada em outras barragens de CCR nomundo, indica que este sistema de instrumentação abre uma nova dimensão nomonitoramento de barragens em vista da possibilidade de leitura distribuída permitindomelhorar critérios de projeto e aumentando a segurança percebida [1], fato este que foicomprovado na aplicação pioneira em UHE Fundão. Outras vantagens também foramnotadas.

A escolha pelo referido estudo de caso em uma barragem de CCR teve com origem aocorrência em obras de Concreto Compactado com Rolo (CCR) no Brasil de patologias,em especial fissuras [2]. Ressalta-se que para nestes casos, a instrumentação

convencional existente não apresentou dados que permitissem o conhecimentoadequado do material a ponto de se poder concluir ou mesmo comprovar as teorias decausas ou mesmo a tomada de medidas preventivas.

2. INSTRUMENTAÇÃO POR FIBRA ÓTICA

Os sensores de instrumentação por fibra ótica buscam utilizar ao máximo aspropriedades da fibra ótica para efetuar medições de grandezas físicas [3]. A medição éfeita de diferentes maneiras, porém de uma forma geral se utilizam do princípio dasfibras óticas permitirem o deslocamento de feixes de luz [4].

Conforme [5], inicialmente a instrumentação por fibra ótica era utilizada apenas emlaminados da indústria aeroespacial, sendo posteriormente transferidos com sucessopara o monitoramento da segurança de estruturas civis [5].

A tecnologia de medição da temperatura por fibra ótica foi apresentada pela primeira vezem 1981 na Universidade de Southampton [1].

Conforme [7], a instrumentação por fibra ótica tem oferecido excelente vantagem nacomparação com sistemas tradicionais. Dentre elas o tamanho reduzido, a não

condutividade, a resposta rápida, resistência à corrosão, a imunidade contrainterferências eletromagnéticas e freqüências de rádio, eliminando a necessidade decustos com acessórios de proteção contra descargas elétricas e outras interferências.Conforme o mesmo autor, outra característica é que a medição por fibra ótica utilizatécnica altamente sensível possibilitando medições precisas, absolutas e perfeitamentelineares sem a necessidade de meios de estabilização.

Outro resultado esperado com a utilização de sensores de fibra ótica em barragens deCCR é a avaliação da possibilidade de se evitar certos inconvenientes de sistemasclássicos de monitoramento, tais como, extensômetros de haste, pêndulos normais einvertidos, inclinômetros. Estes instrumentos são caracterizados pela manipulação

delicada, sensibilidade à temperatura, umidade e campos eletromagnéticos, dificuldadesde instalação e manuais de conversão de dados conforme [8].




Conforme [9] a possibilidade exclusiva da fibra ótica frente a instrumentos convencionaisde se medir temperatura e deformação de milhares de pontos ao longo de uma únicafibra é ferramenta fundamental para monitoramento de grandes estruturas, tais quais,oleodutos, barragens, entre outros.

KUKUREKA et al. [11] citam a longa durabilidade de fibras óticas é outra característicaimportante neste sistema de instrumentação. Segundo o autor, testes foram efetuadosem fibras comuns e em fibras marcadas em ambientes úmidos e secos (umidade relativado ar de 40 a 80%). Estes testes visaram reproduzir a fadiga dinâmica e estática daaplicação em um túnel de 4,5 m e 2,095 m de raio. Como resultado, obteve-se quemesmo sob ação constante da mais alta tensão de projeto, a durabilidade da fibramodelada pela distribuição Weibull, seria de cerca de 10x1038 anos e 9,5x 1031 anos,respectivamente [11].

Não obstante, neste sistema de instrumentação as fibras ficam inseridas em cabosrevestidos para proteção contra a umidade, esmagamento, fraturamento e estiramento

[9].

Conforme os mesmos autores uma fibra comum de telecomunicação pode ser utilizadaem temperaturas de -20oC a +60oC, sendo que, quando inserida em cabos revestidosespeciais a faixa de leitura para é ampliada para -180oC a +300oC.

2.1 PRINCIPAIS TIPOS DE SENSORES DE FIBRA ÓTICA UTILIZADOS EM INSTRUMENTAÇÃO DE

ESTRUTURAS CIVIS DE CONCRETO

Conforme a bibliografia consultada, a maioria da instrumentação de estruturas civisutilizando fibra ótica é feita utilizando:

- Sensores de fibra ótica extrínsecos localizados interferômetro de Fabry-Perot [7];

- Sensores de fibra ótica intrínsecos localizados espectrométricos utilizando redes deBragg [12];

- Sensores de fibra ótica intrínsecos distribuídos de amplitude para medição detemperatura e percolação pelo método Raman [6];

- Sensores de fibra ótica intrínsecos distribuídos de amplitude para medição dedeformação pelo método Brillouin [4].

2.2. SENSORES DE FIBRA ÓTICA EXTRÍNSECOS LOCALIZADOS INTERFEROMÉTRICOS DE FABRY-PEROT

2.2.1 Princípio de funcionamento dos sensores Fabry Perot

Segundo CLARK [5], este tipo de sensor monitora a interferência entre a reflexãoFresnel do final da fibra ótica e a superfície reflexiva externa, sendo versáteis, pois

refletores externos podem tornar-se sensíveis a medição de algumas propriedades daestrutura.




Segundo [7], existem várias formas de projetar sensores extrínsicos interferométricosFabry Perot (EFPI), porém basicamente o funcionamento deste tipo de sensor baseia-sena manipulação da fibra de tal forma que se formem dois refletores paralelos (espelhos)perpendiculares ao eixo da fibra.

Uma desvantagem notada na aplicação em barragens é que cada sensor tem um cabo[7], este fato deriva de que, segundo ANSARI [3], a interferência dos sinais refletidos quese formam naquela cavidade pelos dois espelhos parciais criam o sentido dainterferência, que por esta razão só são capazes de prover medições localizadas nacavidade formada pelos dois espelhos.

2.2.2 Aplicação de sensores Fabry Perot em instrumentação de barragens

Conforme CHOQUET [7], o sensor EFPI é um sensor bastante utilizado na medição decaracterísticas do concreto, principalmente pela precisão na mensuração da

deformação.

GLISIC [8] comenta várias aplicações em estruturas civis, destacando que a aplicaçãopioneira em barragens foi na barragem de concreto em arco de Emosson, na Suíça em1996, onde foram instalados dois extensômetros de fundação, utilizando sensor de fibraótica extrínseco interferômetro Fabry-Perot e cujas leituras foram comparadas comextensômetros convencionais de haste instalados em paralelo [8].

2.3 SENSORES DE FIBRA ÓTICA INTRÍNSECOS LOCALIZADOS ESPECTROMÉTRICOS UTILIZANDO

REDES DE BRAGG

2.3.1 Princípio de funcionamento dos sensores Redes de Bragg

Conforme ANSARI [3], inicialmente sensores de fibra ótica utilizando redes de Braggforam desenvolvidos como filtros de freqüência para sistemas de telecomunicaçãoóticos. Segundo SLOWIK [13], a primeira experiência produziu fibras com redes deBragg aplicando uma série de linhas eqüidistantes dentro de uma amostra de vidro deuma fibra de telecomunicação unimodal padrão utilizando laser. Segundo SLOWIK [13]estas linhas que compreendem as redes de Bragg são caracterizadas por um índice dereflexão de uma amostra regular de fibra. A propagação da luz na amostra de vidro da

fibra é refletida pelas interfaces entre as regiões que possuem diferentes índices dereflexão.

Pela comparação entre os picos do comprimento de onda que depende do espaçamentoentre as linhas formadas, pode-se obter medições de deformação, pois se a fibra éesticada o comprimento de onda Bragg aumenta. Por estas características, o interessepela utilização de sensores utilizando fibras marcadas com redes de Bragg (FBG),cresceu rapidamente e várias estruturas foram instrumentadas com sensores dedeformação [13]. Os sensores de fibra ótica utilizando redes de Bragg permitem aaplicação de diferentes sensores em série em uma mesma fibra, tornando possíveltransformá-lo em um sistema multiplexado [14].

2.3.2. Aplicação de sensores Redes de Bragg em instrumentação de barragens




Apesar de todas as referências citadas não foi encontrada na bibliografia consultadaregistro da aplicação de sensores a redes de Bragg em barragens.Conforme DAVIS [15] e POLOSSO [12], pode se afirmar que os sensores baseados nasredes de Bragg são bastante utilizados na instrumentação de estruturas de concreto.

Os sensores redes de Bragg permitem monitoramento de diversas características deestruturas de concreto [3].

Segundo CHOQUET [7], utilizando-se sensores FBG embutidos ou aplicadossuperficialmente ao concreto pode se medir continuamente as condições de danos,deformação, tensão, formação de fissuras, pressão intersticial e temperatura.

Como aplicação em concreto massa pode se destacar o exposto por WANG [24],registrando a aplicação de 237 sensores de fibra ótica para medição de temperatura ede deformação utilizando redes de Bragg no concreto massa da ponte Nanjing 3rd

Yangtze, sobre rio Yangtze na China.

ANSARI [3] apresenta também a possibilidade de ser medir o teor de ar incorporado doconcreto com este tipo de sensor.

POLOSSO [12] apresenta resultados da aplicação deste sensor na detecção decorrosão em concreto armado.

YEO [16] utiliza este sensor para detectar a penetração de água e porosidade doconcreto.

Podem ser citadas várias outras aplicações de sensores de fibra ótica utilizando redesde Bragg em estruturas de concreto, como por exemplo, a aplicação descrita porMICHIE [17] na detecção de degradação do concreto, a descrita por SLOWIK [13]quanto à verificação da retração plástica. GLISIK [8] analisa o comportamento doconcreto nas idades iniciais, WATKINS [18] aplica os sensores de fibra ótica para medirdeformações em pontes de concreto. KUKUREKA [11], utilizaram sensores FBG nomonitoramento de deslocamento de um túnel.

2.4 SENSORES DE FIBRA ÓTICA INTRÍNSECOS DISTRIBUÍDOS DE AMPLITUDE PARA MEDIÇÃO DE

DEFORMAÇÃO PELO MÉTODO BRILLOUIN 2.4.1 Princípio de funcionamento dos sensores distribuídos Brillouin

Como já classificado por ANSARI [3] para o método distribuído, para estes a fibra todaacaba sendo sensor, permitindo a medição em todo o seu comprimento.

Este tipo de sensor deriva da aplicação da Reflexão Brillouin estimulada conhecida pelasigla SBS (“Stimulated Brillouin Scatering”) na fibra ótica permitindo medir a temperaturae deformação de maneira distribuída [19].

Conforme citado por JOHANSSON [4], sensores distribuídos de fibra ótica tipo Brillouintiram proveito de que as características de da freqüência Brillouin do espectro de luz do




laser refletido, quando percorrendo a fibra ótica, variam com a temperatura edeformação.

Uma característica típica de medições utilizando principio de Brillouin é que as mediçõesde temperatura se sobrepõem as de deformação [10].

Segundo PARKER [20], este efeito de sobreposição da temperatura e deformação éconhecido como sensitividade cruzada. Segundo o mesmo autor, para obter apenas oefeito da deformação ou da temperatura isoladamente se faz necessário levar em contanão apenas a freqüência Brillouin, mas também o energia Brillouin que atua em cadaponto da fibra.

Segundo JOHANSSON [4], o instrumento de medição normalmente utiliza um laser paraaplicar pulsos de luz dentro da fibra, para o sistema Brillouin, este equipamento éconhecimento como DTSS (“Distributed Temperature and Strain Sensor”).

O método Brillouin tem menor resolução de temperatura e menor resolução espacial queo método Raman, apresentado no item 2.5, todavia diferentemente deste, permitemedições em comprimento maiores que 10 km [10]. Segundo o mesmo autor a mediçãode deformação é o grande diferencial deste método.

Diversos estudos estão em andamento para tornar mais precisa a resolução espacial dométodo na medição da temperatura e deformação [21].

Este método vem sendo bastante utilizado para monitorar estruturas com grandecomprimento [9], sendo utilizado sistematicamente para monitoramento de oleodutos,gasodutos, etc... [21].

2.4.2 Aplicação de sensores distribuídos Brillouin em instrumentação de barragens

A primeira aplicação em barragens observada na bibliografia consultada foi emSetembro de 2004 na barragem de terra de Vattenfall Vattenkrafts Ajaure Dam naSuécia [4]. Conforme mesmo autor nesta barragem foram instalados 1122,5m de cabosde fibra ótica distribuídos em dois níveis na barragem durante o período construtivo,assim como para comparação foram instalados três inclinômetros.

Segundo JOHANSSON [4], foi possível detectar movimentos de 5 mm na barragem acada metro de cabo instalado, assim como os resultados obtidos foram compatíveis comos inclinômetros convencionais instalados e mostraram coerência com a variação denível do reservatório.

Registra-se a utilização com sucesso deste tipo de instrumentação distribuída emmonitoramento de oleodutos, gasodutos e sistemas de transporte de produtos químicos[9] [10].

2.5 SENSORES DE FIBRA ÓTICA INTRÍNSECOS DISTRIBUÍDOS DE AMPLITUDE PARA MEDIÇÃO DE

TEMPERATURA E PERCOLAÇÃO PELO MÉTODO RAMAN

2.5.1 Princípio de funcionamento dos sensores distribuídos Raman




O método distribuído de medição de temperatura utilizando fibra ótica, tambémconhecido pela sigla DFOT (“Distributed Fibre Optic Temperature Measurement”),conforme AUFLEGER [6], baseia-se no fato de que, ao aplicar um feixe de luz em umafibra de telecomunicação comum, os fótons interagem com as moléculas da fibra,

refletindo sinais [10].

A faixa de sinais refletidos é correlacionado com a temperatura e pode ser extraído poranálise de freqüência, sendo que a distância do ponto de medição até a fonte emissorade luz pode ser obtido pelo tempo de resposta [6].

Segundo JOHANSSON [4], o instrumento de medição normalmente utiliza um laser paraaplicar pulsos de luz dentro da fibra. Este equipamento para ler pelo sistema Raman éconhecimento como DTS (“Distributed Temperature Sensor”).

Segundo AUFLEGER [6] os valores medidos podem permitir a avaliação da temperatura

com precisão de ±0,2 °C e resolução espacial de ±0,25m para um comprimento de até 5km de fibra. Segundo o mesmo autor, a tecnologia do método DFOT tem sido utilizadacom sucesso para medição de temperatura no maciço das barragens de concreto.

O método Raman é mais preciso na determinação da temperatura e tem maiorresolução espacial que o método Brillouin [10].

Conforme AUFLEGER [6], para a detecção da temperatura pelo método DFOT a leituraé direta, sendo obtido para cada trecho da fibra a temperatura referente ao concreto quea envolve. Segundo o mesmo autor a medição de temperatura também pode ser usadapara a detecção de percolação em barragens de modo geral. Para a detecção dapercolação, por correlação com a medição de temperatura, propiciada pelo métodoDFOT, podem ser utilizados o método do gradiente e o método com aquecimento, sendoque:

-Método do Gradiente (“Gradient Method”): no método do gradiente, a temperatura é umrastreador para detectar anomalias no campo de fluxo [6]. O método do gradientesegundo [4], é utilizado baseando-se no fato de que ocorrem variações sazonais detemperatura da água em lagos, reservatórios e rios causando mudanças na temperaturada água percolada através da barragens durante o ano. A grandeza da percolação,portanto pode ser detectada pela diferença de temperatura dentro do maciço. Como uma

temperatura constante indica baixa percolação e uma temperatura variandosignificativamente no tempo, indica percolação significativa [4]. Segundo AUFLEGER [6],uma limitação deste método é que requer a presença de diferença de temperatura entreas superfícies externas, especialmente a temperatura do reservatório, e a deenvolvimento dos cabos. Quando esta situação não existe, o método do gradiente não éaplicável e deve ser utilizado o método do aquecimento.

-Método com aquecimento (“Heat –up Method”): conforme AUFLEGER [6], com aaplicação deste método se detecta a presença e a movimentação da água pelaavaliação da resposta térmica após a indução de temperatura externa quando aplicadauma voltagem elétrica em cabos de cobre previamente inseridos dentro do cabo em

paralelo com a fibra ótica. Segundo o mesmo autor, o aumento de temperatura no caboé influenciado pelas propriedades térmicas da região que o envolve. Quando o cabo estaem contato com regiões de baixa condutividade térmica, como no caso de materiais




secos, irá propiciar um aumento maior da temperatura, enquanto que regiões de altacondutividade térmica, como no caso de materiais úmidos, a evolução é menor. Esteprincípio, portanto, permite detectar a presença ou não de umidade na região onde ocabo esta inserido. Na Figura 1, abaixo, é apresentado um esquema típico de instalaçãodos cabos para medição de percolação em barragens de terra ou enrocamento com

núcleo de argila e para medição da temperatura de hidratação em barragens deconcreto utilizando o método DFOT.

Detectação da percolação Monitoramento da Temperaturado concreto

FIGURA 1: Esquema de aplicação do método distribuído para detectar percolação e temperatura [6]

2.5.2 Aplicação de sensores distribuídos Raman em instrumentação de barragens

A primeira aplicação da instrumentação por fibra ótica em barragens de concreto, foi ouso do método distribuído de medição da temperatura na barragem de Myagase noJapão em 1991, descrita por KOGA [22].

A partir de então a tecnologia já foi usada em diversas barragens na última década. Combase na bibliografia consultada podem ser citadas:

- as barragens de Bireck Dam na Turquia(1997), Shimenzhi Dam na China (2000),Wala Dam e Mujib Dam na Jordânia(2001) [1];

- as barragens de Loeven (1998), Saedva (1999), Aitik (2000), Ajaure (2001),

Vargfors (2001), Hylte (2002), Suorva West (2003), Suorva East and Sagvidammen(2004), Bastusel (2004) e Gallejure (2004) na Suécia [4].

2.6 ESCOLHA DOS TIPOS DE SISTEMAS DE INSTRUMENTAÇÃO POR FIBRA ÓTICA A SEREMUTILIZADOS NA BARRAGEM PROTÓTIPO

Em vista das características de precisão na medição da temperatura pelo métododistribuído foi escolhido o método Raman para aplicação no protótipo.O método Redes de Bragg também foi escolhido visando a possibilidade de ligação dediversos instrumentos em série.

O método Brillouin foi aplicado porém não se dispunha de resultados compilados até omomento da elaboração deste artigo, razão pela qual não é aqui comentado.




Não foram aplicados os sistemas Fabry Perot visto estar se buscando sistemas quefacilitassem a medição com mais abrangência. No caso deste sistema não é possívelaplicação em série ou distribuída, tendo cada sensor um cabo.

3. APLICAÇÃO NA BARRAGEM DE CCR DE UHE FUNDÃO

3.1 BARRAGEM DE CCR DE UHE FUNDÃO

A barragem de UHE Fundão localiza-se no Rio Jordão, nas divisas entre as cidades deCandói-PR e Reserva do Iguaçu-PR. A potência da UHE Fundão é de 120 MW. Abarragem é de CCR, com altura de 45 m e comprimento de 250 m. O volume de CCRaplicado na obra é de 150.000 m3.

FIGURA 2: Vista Geral da barragem após construída.

Os instrumentos analisados neste artigo foram instalados no bloco 11 da barragem.Neste bloco foram instalados os sensores de fibra ótica de medição distribuída datemperatura pelo método Raman (TFOR), e os sensores de fibra ótica Redes de Braggde medição de temperatura (TFOB), assim como sensores de temperaturaconvencionais tipo corda vibrante (TCVC), de modo que as comparações puderam serobtidas integralmente dentro da unidade de análise. Outros blocos foraminstrumentados, porém não fazem parte da unidade de análise escolhida para apesquisa.

Este bloco já havia sido escolhido pelo projetista da obra, para concentrar a maior

quantidade de termômetros de corda vibrante. A escolha do projetista baseou-se em sereste bloco o mais alto dentre os blocos da barragem.

Foram instalados instrumentação por fibra ótica em outros três blocos, incluindosensores de medição distribuída de temperatura e deformação pelo método de Brilliouine extensômetros de fibra ótica pelo método de redes de Bragg, porém este não puderamser incluídos devido ao tempo de copilação em vista de ter tido leitura principal durante operíodo de enchimento.

Para o ajuste dos procedimentos e treinamento da equipe foram efetuados estudosprévios tanto para o sistema de Redes de Bragg (TFOR), como Raman (TFOR) os quais

são apresentados nos itens seguintes.




3.2 TESTES PRÉVIOS DE PREPARAÇÃO PARA A INSTALAÇÃO DE INSTRUMENTAÇÃO POR FIBRA

ÓTICA PELO MÉTODO REDES DE BRAGG - TFOB

Realizado no LACTEC, em Curitiba, no estado do Paraná. Consistiu na execução de um

bloco de CCV de 1 x 1 x 1 m. Neste bloco, foram instalados três termômetros de fibraótica de redes de Bragg instalados em um mesmo cabo, em série, e um termômetroelétrico convencional.

Nas Figuras 3 e 4 abaixo são apresentados fotos dos testes.

FIGURA 3: Vista geral da área de testes TFOB

FIGURA 4: Detalhe da camada instrumentada testes TFOB

Neste teste prévio foram ajustados cabos e sistema de leitura para estarem compatíveiscom as necessidades esperadas para o protótipo tanto quanto a procedimento deaplicação quanto a resultados. Também foi importante para o treinamento da equipe

3.3 TESTES PRÉVIOS DE PREPARAÇÃO PARA INSTALAÇÃO DE INSTRUMENTAÇÃO POR FIBRA ÓTICAPELO MÉTODO DISTRIBUÍDO RAMAN

Realizado no laboratório do Instituto Oskar Von Muller da Universidade Técnica de

Munique em Obernach na Alemanha. O bloco de teste foi feito com as dimensões 1 x 4 x0,8 m, e nele foram dispostos cerca de 40 m de cabos de fibra ótica,Nas Figuras 5 e 6 são apresentadas fotos dos testes.




FIGURA 5: Vista geral da área de testes

FIGURA 6: Detalhe da camada tipo

Neste teste prévio foi verificada a adequabilidade e acurácia das leituras validando-apara aplicação no protótipo. Também foi efetuado treinamento da equipe.

3.4 APLICAÇÃO DA INSTRUMENTAÇÃO NO PROTÓTIPO

3.4.1 Projeto de instalação sensores TCVC

O projeto de instalação dos termômetros convencionais de corda vibrante, TCVC,

seguiram o projeto original da instrumentação da barragem feito pelo projetista da obra.Apresenta-se na Figura 7, a locação dos sensores no bloco 11 da barragem.




670.00

680.00

690.00

TCVC 01 TCVC 02

TCVC 05TCVC 04

TCVC 03

TCVC 06 TCVC 07

FIGURA 7: Seção instrumentada do bloco B11 UHE Fundão – Locação dos sensores TCVC

3.4.2 Projeto de instalação dos sensores TFOB e EFOB

Foram aplicados na mesma locação dos termômetros TCVC, com exceção da El 670,00por motivo de não dispor do TFOR no momento da instalação. Foram instalados

extensômetros em série para verificar se não haveria influência nos resultados dostermômetros. Na Figura 8, apresenta-se a locação dos termômetros TFOB eextensômetros EFOB no bloco 11 de UHE Fundão.

690.00

TFOB 02

TFOB 04TFOB 03

TFOB 01 EFOB 02

EFOB 03

EFOB 01 680.00

FIGURA 8: Seção instrumentada do bloco B11, UHE Fundão – Locação dos sensores TFOB e EFOB




3.4.3 Projeto de instalação dos sensores TFOR

Buscou-se aplicar 900 metros de fibras óticas de modo a cobrir toda a seção dabarragem, passando inclusive pelos pontos onde havia TCVC. Por conveniência dividiu-se a rede em dois trechos. A Figura 9 apresenta a seção tipo para os cabos do método

distribuído Raman.

701.90

700.10

698.30

696.50

693.80

690.00

689.30

687.50

686.60

683.00

680.00

667.70

670.00

671.30

672.20

673.30

675.30

676.70

FIGURA ‘9: Seção instrumentada do bloco B11, UHE Fundão, Locação dos sensores TFOR

3.5 COMPARAÇÃO RESULTADOS TFOB X TCVC

3.5.1 Comparação das leituras dos instrumentos

Nas Figuras 10 a 13 abaixo são apresentados a comparação entre resultados de TCVCe TFOB instalados em mesmo local.

TERMÔMETROS TFOB X TCVC EL 680,00 MONTANTE

15

17

19

21

23

25

27

29

31

33

35

1 7 - j u l - 0

5

5 - s e

t - 0 5

2 5 - o u t

- 0 5

1 4 - d e z

- 0 5

2 - f e v - 0 6

2 4 - m a r

- 0 6

1 3 - m a i

- 0 6

data

t e m p e r a t u r a ( o C )

TFOB 01

TCVC 04

FIGURA 10: Comparação de resultados das leituras de TFOB e TCVC EL 680,00 Montante




TERMÔMETROS TFOB X TCVC EL 680,00 JUSANTE

15171921232527

29313335

1 7 - j u l - 0

5

5 - s e

t - 0 5

2 5 - o u t

- 0 5

1 4 - d e z

- 0 5

2 - f e v - 0 6

2 4 - m a r

- 0 6

1 3 - m a i

- 0 6

data


TFOB 02TCVC 05

FIGURA 11: Comparação de resultados das leituras de TFOB E TCVC EL. 680,00 Jusante

TERMÔMETROS TFOB X TCVC EL 690,00 MONTANTE

1517192123252729313335

4 - d e

z - 0 5

2 4 - d e

z - 0 5

1 3 - j a n - 0 6

2 - f e v - 0 6

2 2 - f e v - 0 6

1 4 - m a r

- 0 6

3 - a b r

- 0 6

Data


TFOB 03

TCVC 06

FIGURA 12: Comparação de resultados das leituras de TFOB e TCVC EL. 690,00 Montante

TERMÔMETROS TFOB X TCVC EL 690,00 JUSANTE

151719212325

2729313335

4 - d e

z - 0 5

2 4 - d e z

- 0 5

1 3 - j a n - 0 6

2 - f e v - 0 6

2 2 - f e v - 0 6

1 4 - m a r

- 0 6

3 - a b

r - 0 6

Data


TFOB 04

TCVC 07

FIGURA 13: Comparação de resultados das leituras de TFOB e TCVC EL. 690,00 Jusante

Pode se notar que há aderência entre os valores obtidos com os sensores TFOB e

TCVC para as leituras realizadas




3.5.2 Comparação da observação direta de campo

Pode se notar da observação direta de campo do comportamento do TFOB em relaçãoao TCVC, frente à interação com o processo construtivo e instalação, que:

- podem ser utilizados em um mesmo cabo mais de um sensor em série,propiciando economia na quantidade de cabos;- os sensores TFOB possibilitam maior modularidade no campo, dada a facilidadede emenda de topo via elemento de ligação denominado “i-óptico”.

3.6 APRESENTAÇÃO RESULTADOS TFOR

Nas Figuras 14 e 15 abaixo são apresentados os campos de temperatura obtidos daleituras com TFOR, para as duas campanhas de medição

FIGURA 14: Campos de temperatura em 15/09/05, 16:00 h




FIGURA 15: Campos de temperatura, 27/11/05, 21:30 h–Detalhe camada recém lançada

3.7 COMPARAÇÃO TFOR X TCVC

3.7.1 Comparação das leituras dos instrumentos

Nas Figuras 16 a 18 são comparados os desempenhos elevação 670,00 m.

TERMÔMETROS TCVC X TFOR EL 670,00 MONTANTE

1517

192123252729313335

2 8 - m a i

- 0 5

1 7 - j u l - 0

5

5 - s e

t - 0 5

2 5 - o u t

- 0 5

1 4 - d e z

- 0 5

2 - f e v - 0 6

2 4 - m a r

- 0 6

1 3 - m a i

- 0 6

data


TCVC 01

TFOR TCVC 01

FIGURA 16: Comparação TCVC 01 e TFOR na posição do TCVC 01 EL. 670,00 Montante




TERMÔMETROS TCVC X TFOR EL 670,00 CENTRO

1517192123252729313335

2 8 - m a i

- 0 5

1 7 - j u l - 0

5

5 - s e

t - 0 5

2 5 - o u t

- 0 5

1 4 - d e z

- 0 5

2 - f e v - 0 6

2 4 - m a r

- 0 6

1 3 - m a i

- 0 6

data

t e m p e r a t u

r a ( o C )

TCVC 02TFOR TCVC 02

FIGURA 17: Comparação TCVC 02 e TFOR na posição do TCVC 02 EL. 670,00 Centro

TERMÔMETROS TCVC X TFOR EL 670,00 JUSANTE

1517192123252729313335

2 8 - m a i

- 0 5

1 7 - j u l - 0

5

5 - s e t

- 0 5

2 5 - o u t

- 0 5

1 4 - d e

z - 0 5

2 - f e v - 0 6

2 4 - m a r

- 0 6

1 3 - m a i

- 0 6

data


TCVC 03

TFOR TCVC 03

FIGURA 18: Comparação TCVC 03 e TFOR na posição do TCVC 03 EL. 670,00 Jusante

Nas Figuras 19 e 20 são comparados os desempenhos dos termômetros TFOR e TCVCaplicados na elevação 680 m.

TERMÔMETROS TCVC X TFOR EL 680,00 MONTANTE

1517192123252729313335

1 7 - j u l - 0

5

5 - s e

t - 0 5

2 5 - o u t

- 0 5

1 4 - d e z

- 0 5

2 - f e v - 0 6

2 4 - m a r

- 0 6

1 3 - m a i

- 0 6

data


TCVC 04

TFOR TCVC 04

FIGURA 19: Comparação TCVC 04 e TFOR na posição do TCVC 04 EL. 680,00 Montante




TERMÔMETROS TCVC X TFOR EL 680,00 JUSANTE

1517192123252729313335

1 7 - j u l - 0

5

5 - s e

t - 0 5

2 5 - o u t

- 0 5

1 4 - d e z

- 0 5

2 - f e v - 0 6

2 4 - m a r

- 0 6

1 3 - m a i

- 0 6

data

t e m p e r a t u

r a ( o C )

TCVC 05

TFOR TCVC 05

FIGURA 20: Comparação TCVC 05 e TFOR na posição do TCVC 05 EL. 680,00 Jusante

Pode-se notar aderência entre os resultados obtidos pelos sensores TFOR e TCVC paraas leituras realizadas,

3.7.2 Comparação da observação direta de campo

Pode se comparar da observação direta de campo, o comportamento do TFOR emrelação ao TCVC, frente a interação com o processo construtivo e instalação.

Os sensores TFOR apresentam maior facilidade de instalação, pois, não requerem

preparo de “blockouts” e nem aplicação de concreto de proteção sobre os sensores ecabos, como no caso dos sensores TCVC. Para a instalação de uma laçada com cercade 70 m de cabos de TFOR, ou seja, cerca de 280 sensores, foram gastos em média 30minutos. Para a instalação de 2 sensores de TCVC foram gastas em média 5 horas.

A aplicação dos 900m de cabos, mesmo envolvendo movimentação de bobinas duranteo alteamento da barragem não afetou em nada a produção do CCR.

4. ANÁLISES DOS RESULTADOS OBTIDOS

4.1 SOBRE OS SENSORES TFOB

No tocante a precisão, os resultados obtidos com a medição de temperatura utilizandosensores TFOB mostraram que as leituras são coerentes com os TCVC. Como ossensores TCVC já são consagrados pelo uso, vide utilização em Salto Caxias [23], pode-se afirmar para o estudo de caso em questão foi validado a eficácia dos sensores TFOBna medição da temperatura de barragens de CCR.

No tocante a custos, há relativa equivalência entre os sensores TFOB e TCVC, porémtendo o TFOB a vantagem econômica na redução no número de cabos. No estudo de

caso em questão esta economia representou 15%. O leitor todavia foi 2 vezes mais caro.Destaca-se contudo que em vista da economia direta sensores, a diferença nos preçosdos leitores é compensada após o uso em mais barragens. No estudo de caso seria




necessário aplicar cerca de 80 sensores para compensar a diferença de custo do leitor.Uma opção também é a contratação de empresa especializada em leitura por fibra ótica.Sendo que esta opção já é disponível no mercado nacional uma vez que o Lactec jádispõe deste aparelho.

No tocante a abrangência, pode ser concluir que o sistema TFOB permite a ligação emsérie de termômetros e extensômetros, as leituras dos termômetros permaneceramprecisas. Esta abrangência também é propiciada pelo fato de que, com comprimentosrelativamente pequenos de cabos, podem ser colocados sensores de diferentes tiposnos mesmos cabos de instalação dos sensores de temperatura.

No tocante à rapidez da instalação, pode-se concluir que a utilização deste método écompatível com o TCVC

4.2 SOBRE OS SENSORES TFOR

No tocante a precisão, os resultados obtidos com a medição de temperatura utilizandosensores TFOR mostraram que as leituras são coerentes com os TCVC. Como ossensores TCVC já são consagrados pelo uso, vide utilização em Salto Caxias [23], podese afirmar para o estudo de caso em questão foi validado a precisão dos sensoresTFOR na medição da temperatura de barragens de CCR.

No tocante a custos, observou-se que com a utilização dos sensores Raman paramesma quantidade de linhas instrumentadas obteve-se economia de 87% no custodiretos dos sensores. O leitor, todavia, foi duas vezes mais caro. Destaca-se que aeconomia direta sensores compensa o investimento maior nos leitores após o uso emmais barragens. No estudo de caso após a aplicação de cerca de 180 sensores seobteria o retorno financeiro do maior custo do leitor. Uma opção também é acontratação de empresa especializada em leitura por fibra ótica e pagar apenas operíodo em uso na barragem. No Brasil pode-se destacar que o LACTEC já dispõedeste aparelho.

No tocante à abrangência, tem-se, pelas considerações de precisão e custos citados,que o sistema TFOR possibilita uma abrangência de leitura dezenas de vezes maiorsem perder precisão. Esta maior abrangência das leituras propicia melhor visualizaçãodas características do CCR, permitindo tomadas de decisão com melhor segurança no

que diz respeito a melhor análise térmica tanto antes quanto durante e após o períodoconstrutivo, em comparação a instrumentação convencional.

Com relação à rapidez de instalação, pode-se concluir que a utilização deste método,comparativamente ao TCVC, tornou mais rápida a instalação da instrumentação,reduzindo de 5 horas para 30 minutos, cerca de 90% a menos, o tempo de instalaçãonas elevações instrumentadas, evitando interferência na produção do CCR.

5. CONCLUSÃO

Do presente estudo, pioneiro em obras no Brasil, pode se concluir ser possível amedição mais abrangente das características de barragens de concreto, em especialconcreto compactado com rolo, CCR, através da instrumentação por fibra ótica. Sendo




que além da obtenção desta maior abrangência, tem-se uma maior rapidez no processode instalação. A barreira quanto ao custo dos leitores é vencida pela utilização domesmo em maior número de obras, ou mesmo contratando empresa especializada quepossa diluir este custo em mais empreendimentos.

6. AGRADECIMENTOSRegistra-se os agradecimentos ao Eng Roland Hoepffner da Universidade Técnica deMunique, ao técnico Amauri Garcia do Lactec e a Empresa Gávea Sensors pela atuaçãodireta no desenvolvimento deste trabalho

7. PALAVRAS-CHAVE

Instrumentação por fibra óticaBarragens de CCR

Medição de temperatura em concretoComparação entre sistemas de instrumentação

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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