COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXVII SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS BELÉM PA, 03 A 07 DE JUNHO DE 2007 T101 A16 REFORÇO ESTRUTURAL DA COBERTURA DA UHE SOBRADINHO João Alfredo Azzi PITTA Msc., Engenheiro Civil Universidade Federal de São Carlos, SP. José Carlos DEGASPARE Msc., Engenheiro Civil GANA Engenharia. Joelma Magalhães BRAGA Msc., Engenheira Civil Companhia Hidro Elétrica do São Francisco. Alberto Jorge Coelho Tavares CAVALCANTI Engenheiro Civil Companhia Hidro Elétrica do São Francisco. RESUMO A cobertura da casa de força da Usina Hidrelétrica de Sobradinho é formada por treliças espaciais de alumínio. Em três ocasiões, a ocorrência de ventos excepcionais causou danos à estrutura da cobertura, provocando o arrancamento de módulos das treliças. Para solucionar o problema, a CHESF contratou a realização de estudos compostos por ensaios de modelo reduzido em túnel de vento, verificação da estabilidade da estrutura e projeto de reforço estrutural. Os resultados do ensaio em túnel de vento mostraram que os coeficientes de forma obtidos pela aplicação da norma NBR 6123, em algumas situações são muito inferiores aos medidos no modelo. Alem disso, a verificação estrutural constatou um subdimensionamento dos apoios da estrutura. Este trabalho apresenta o projeto e os procedimentos de instalação do reforço estrutural das treliças com cabos de aço. ABSTRACT The roof of Sobradinho powerhouse is supported by three-dimensional aluminum trusses. In three different occasions, high speed winds caused significant damage to the structure by completely pulling out some trusses modules. In order to overcome this problem, CHESF has managed studies including wind tunnel tests of a reduced model, stability check of the roof structure and design of a structural strengthening system. The wind tunnel tests showed that the pressure coefficients according to the NBR 6123 code led to underestimation of the wind loading in some situations. Structural analysis showed that the trusses supports are incapable to resist the loads imposed by the wind. This paper presents the design and installing procedures of a strengthening system with steel cables. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 1
1. INTRODUÇÃO A cobertura da casa de força da barragem de Sobradinho, situada no rio São Francisco próxima das cidades de Juazeiro (BA) e Petrolina (PE), foi danificada em vários pontos por ocasião de três incidentes ocorridos, quando o vento soprando de jusante para montante, causou o arrancamento de módulos da estrutura na região próxima da extremidade esquerda da casa de máquinas. Localizada aproximadamente na parte central da barragem, com 297 m de comprimento e 35 m de largura, a cobertura é constituída por treliças metálicas tridimensionais tubulares de alumínio apoiadas em vigas de concreto armado, apresentando vedação em telhas trapezoidais em alumínio, com aberturas a montante e a jusante. A jusante da Casa de Força existe ainda um fechamento vertical cuja estrutura tem a mesma tipologia já descrita para a cobertura, como pode ser observado na Figura 1. Na direção e sobre as vigas de concreto armado, apoiadas nas treliças metálicas, existem calhas em chapa de alumínio que escoam as águas pluviais para a direção de montante da barragem, de onde são retiradas longitudinalmente por uma viga-calha em concreto armado. Para solucionar o problema a CHESF contratou a realização de estudos compostos por ensaios de modelo reduzido em túnel de vento, verificação da estabilidade estrutural e o projeto de reforço estrutural. Foram realizados ensaios no túnel de vento Professor Joaquim Blessmann, no Laboratório de Aerodinâmica das Construções (LAC) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, em um modelo reduzido da barragem (escala 1/375) em condições originais de projeto. No ensaio foram registradas, por meio de multimanômetros a álcool, as pressões estáticas (externas e internas) em 231 pontos e apresentados em relatório os valores médios dos coeficientes de pressão. LOREDO-SOUZA, A. M. (2003) [1]. O vento foi simulado de acordo com as características do terreno em torno do complexo, o qual corresponde a terreno com rugosidade de Categoria I da NBR 6123 (1988). Na análise dos resultados deste ensaio verificou-se que os valores dos coeficientes de pressão para a cobertura da UHE de Sobradinho são coerentes do ponto de vista aerodinâmico com relação à forma do prédio estudado e de sua vizinhança. Verificou-se ainda uma grande vorticidade na cobertura central, responsável pela geração de altos valores de sucção externa. A verificação estrutural pela Norma 6123 Forças Devidas ao Vento em Edificações comparados com os ensaios no túnel de vento mostraram uma boa aproximação entre os valores dos coeficientes de pressões medidos e os calculados para as diversas direções de vento analisadas, com exceção dos ventos vindo de jusante (270 ) os mais importantes por serem os maiores e estarem situados na zona mais crítica, que atestam a necessidade da realização de ensaios em modelos reduzidos para este e para casos semelhantes. PITTA, J. A. A et al. (2005) [2]. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 2
Foi realizada também a verificação estrutural das barras tubulares, apoios, terças e telhas. Esta verificação mostrou uma boa segurança para as barras tubulares, terças e telhas, e subdimensionamento nos apoios. Desse estudo resultou que os apoios deveriam receber um sistema de reforço para que a estrutura se mantenha estável PITTA, J. A. A et al. (2005) [2]. 2. DIMENSIONAMENTO DOS REFORÇOS Foi realizada a análise da estrutura com o sistema de reforço dos apoios para dois casos, um considerando os apoios articulados fixos e outro considerando apoios móveis de um dos lados. Nesta análise foram utilizados os coeficientes de pressão obtidos no ensaio em túnel de vento em condições originais de projeto, ver Tabela 1. Foram adotados os seguintes carregamentos para esta análise: Vento a 0 - Três primeiros módulos próximos de barlavento; Vento a 0 - Módulos próximos da parte central; Vento a 270 - Três primeiros módulos próximos das abas frontal e posterior; Vento a 270 - Três módulos a seguir, de ambos lados; Vento a 270 - Módulos próximos da parte central. O carregamento final adotado para os módulos das extremidades, que são os mais solicitados, é composto de carga permanente e pressão de vento, para a direção do vento de 270 (jusante), ver Figura 1. C= -1,40 p= 773 N/m² C= -1,80 p= 994 N/m² C= -1,90 p= 1049 N/m² C= -2,60 p= 1435 N/m² V1 V2 V3 V4 VENTO A 270 V5 C= +0,25 p= 138 N/m² C= -0,75 p= 414 N/m² FIGURA 1- Carregamento Adotado para os Três Primeiros Módulos XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 3
ESTRUTURA CARREGAMENTO LOCAL Vertical (T) V1 (1ª Mont.) V2 (2ª Mont.) V3 (3ª Mont.) V4 (4ª Mont.) V5 (Inf. Test.) Horizontal (V) Coeficiente CP+SC Geral 0,38 0,45 0,045 CP+Vento 0 3 primeiros -0,32 0,38 0,032 CP+Vento 270 3 centrais -1,20 1,50 0,474 CP+Vento 270 3 a seguir -1,30 1,50 0,514 CP+Vento 270 3 primeiros -0,96 1,10 0,278 CP+SC Geral 0,57 0,58 0,088 CP+Vento 0 3 primeiros -0,56 0,54 0,081 CP+Vento 270 3 centrais -1,90 2,00 1,011 CP+Vento 270 3 a seguir -2,10 2,10 1,183 CP+Vento 270 3 primeiros -1,80 1,80 0,869 CP+SC Geral 0,50 0,53 0,070 CP+Vento 0 3 primeiros -0,50 0,51 0,068 CP+Vento 270 3 centrais -1,70 1,80 0,813 CP+Vento 270 3 a seguir -2,00 2,10 1,118 CP+Vento 270 3 primeiros -2,10 2,10 1,183 CP+SC Geral 0,51 0,50 0,068 CP+Vento 0 3 primeiros -0,58 0,45 0,075 CP+Vento 270 3 centrais -1,90 1,80 0,928 CP+Vento 270 3 a seguir -2,20 2,00 1,207 CP+Vento 270 3 primeiros -2,40 2,30 1,494 CP+SC Geral 0,56 0,03 0,049 CP+Vento 0 3 primeiros 0,32 0,33 0,028 CP+Vento 270 3 centrais 0,37 0,39 0,038 CP+Vento 270 3 a seguir 0,37 0,39 0,038 CP+Vento 270 3 primeiros 0,26 0,27 0,018 TABELA 1- Reações de Apoio (tf). Diante da análise da estrutura metálica da cobertura verificou-se que a maior deficiência está nos apoios da mesma, e a solução adotada para o reforço dos apoios foi o atirantamento da estrutura com cabos de aço, diminuindo desta forma as ações de arrancamento sobre os apoios. 2.1 PROTENSÃO DOS ESTAIS A protensão dos estais foi obtida com a imposição de um recalque de 1,25 mm nos estais da viga à montante e de 2,5 mm nos demais estais, o que implica numa protensão de aproximadamente de 200 kgf nos de montante e de 600 kgf nos outros estais. Ver Figura 2. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 4
RECALQUE DE 1,25mm RECALQUE DE 2,50mm FIGURA 2- Protensão dos Estais 3. PROJETO DO REFORÇO ESTRUTURAL Para dimensionar os reforços (tirantes) foram analisadas duas alternativas, uma considerando os cabos ligados ao banzo inferior das vigas principais da estrutura, que se apóiam sobre as vigas de concreto armado da estrutura principal da casa de força, e outra considerando os cabos ligados ao banzo superior dessas vigas. Em cada alternativa foram analisados ainda as possibilidades de fixar o cabo ao nó mais próximo do apoio ou fixar no nó seguinte. Na análise em que o cabo é ligado ao nó mais próximo do apoio foram realizados dois cálculos, um considerando todos apoios articulados fixos e outro considerando apoios móveis de um dos lados. Esta análise foi feita em função das folgas existentes nos aparelhos de apoio, que podem permitir deslocamentos horizontais máximos iguais à folga total existente no aparelho (da ordem de 4mm). Com os resultados das deformações horizontais verificou-se que a estrutura pode se comportar como tendo um apoio móvel de um dos lados, fixo em ambos lados, ou, o comportamento mais provável: até determinada porcentagem do carregamento funcionar como apoio móvel e, a partir daí, como apoio fixo, configurando uma estrutura não linear. Para permitir pequenos deslocamentos horizontais, na direção da mobilidade permitida pelo aparelho de apoio, sem a introdução de esforços térmicos em níveis maiores aos já existentes, os cabos serão fixados na viga de concreto armado, a 2,0m abaixo do nível dos apoios, de maneira que esteja contido num plano vertical definido pelo cabo e pelo apoio existente. Já a ligação do cabo de aço ao nó da treliça deve ser feita de maneira que a direção do esforço esteja centrada no nó e que a transferência de força se dê de maneira a evitar ou, pelo menos, minimizar a flexão das barras adjacentes ao nó. Os aparelhos de apoio de cada módulo da estrutura metálica tridimensional são constituídos por peças usinadas de alumínio. A parte inferior é uma guia em forma de π fixada à estrutura de concreto armado através de quatro parafusos e a outra parte é uma peça em forma de C que funciona qual uma gaveta a qual se encaixa nas abas da peça inferior, permitindo movimento apenas em uma direção (vide Figura 3, foto após um dos incidentes; a treliça da direita foi arrancada, restando apenas seu apoio). XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 5
PEÇA C PEÇA π folga. FIGURA 3 - Apoio Típico da Treliça Tridimensional Os parafusos que ligam o aparelho de apoio às vigas de concreto armado são de φ = 1/2 ; admitindo-se que seu material é a liga 6061 T6 (tensão de escoamento à tração f yt = 294 MPa; cisalhamento f yv = 175 MPa), com base nas Normas (3), podese calcular a capacidade desse parafuso à tração e ao cisalhamento. A área bruta e a área efetiva à tração de alguns parafusos estão apresentadas a seguir. 3.1 DIMENSIONAMENTO DOS CABOS DE AÇO Neste caso (tirantes) é recomendado o cabo 6x7, alma de aço, torção regular, préformado; para o cabo de φ = 1/2, a carga de ruptura mínima é de 10,0 tf (7) sendo que o coeficiente de segurança recomendado situa-se entre 4 a 5, devido a excepcionalidade, pode-se majorar em 1,2. A maior solicitação dos estais é de 2,2 tf nos apoios articulados móveis, do que resulta: 2,2 tf < (10,0/5).1,2 = 2,4 tf 3.2 DETALHES DO PROJETO EXECUTIVO O projeto do reforço estrutural, aplicado nos 36 tramos da cobertura, é mostrado na Figura 4 a seguir. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 6
LOCAÇÃO DOS TRAMOS 1 a 36 - PLANTA TRAMO 1 TRAMO 2 TRAMO 35 TRAMO 36 CORTE LONGITUDINAL DET. 1 DET. 4 CORTE TRANSVERSAL FIGURA 4 - Sistema de Reforço Estrutural - Planta e Cortes. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 7
Foram projetados dois tipos de reforços: Reforço Tipo 1 e Reforço Tipo2. O Reforço Tipo 1 consiste no atirantamento, através de cabos de aço, da treliça metálica às vigas de concreto armado, nos 36 tramos da cobertura, ver detalhes nas Figuras 5, 6, 7 e 8. Este Reforço é composto de uma chapa inferior chumbada na viga de concreto, uma chapa superior fixada à treliça de alumínio e um cabo de aço preso nas suas extremidades às chapas inferior e superior. A protensão do cabo é dada pelos parafusos de fixação da chapa superior. DET. 3 DET. 2 500 500 LADO ESQUERDO LADO DIREITO FIGURA 5 - Esquema Geral do Reforço Tipo 1 CABO DE AÇO Ø 1/2" TIPO 6x7, PRESILHAS PARA O CABO DE AÇO ch 13mm Ø19mm CHUMBADORES HILTI GRAMPO EM LAÇO 150 150 CHAPA DE AÇO-ASTM A-36 GALVANIZADA DE 13mm CHUMBADORES CHUMBADORES HILTI HIT-HAS+HY150-5/8" 81 200 VIGA típ. 6 200 BARRA DE AÇO SEMI-CIRCULAR DE 19mm FIGURA 6 - Reforço Tipo 1: Detalhe 2, Chapa Fixada à Viga de Concreto Armado PLANTA VISTAS LATERAIS 98 ch 16mm Cantoneira L 2"x2"x3/16" Barra em "U" Triâgulo isósceles FIGURA 7 - Reforço Tipo 1: Detalhe 3, Fixação no Nó Superior da Treliça Metálica XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 8
(2) TRIÂNG. ISÓSCELES 240 202 62.53 210 62.53 54.93 227.5 2 60º U ch. dobrada 3mm suporte da terça 150 98 ch 16mm Cantoneira L 2"x2"x3/16" 90 270 (1) TRIÂNG. RETÂNGULO Usinagem p/ assentar tubo (+neoprene) da estrutura R19 240 202 210 291.5 R19 R19 2 60º Fita de neoprene entre o suporte e a terça 3 Barra em "U" 140 100 R82 Ø 5/8" r=26.5 FIGURA 8 - Reforço Tipo 1: Detalhe das Peças de Ligação aos Nós Superiores O Reforço Tipo 2, situado a montante da coberta, é composto por chapas que formam um console invertido, o qual transfere os esforços para a viga-parede longitudinal de montante (Figuras 9 e 10). PLANTA VISTA LATERAL CHAPA DE AÇO-ASTM A-36 GALVANIZADO DE 13mm CHUMBADORES HILTI CHAPA DE AÇO tip 74 70 6 ch 13mm Neoprene (10mm) FIGURA 9 - Reforço Tipo 2: Detalhe do Apoio Criado pelo Console Invertido CHAPA DE AÇO 13mm 150 150 ch 13mm 200 200 150 FIGURA 10 - Peça do Reforço Tipo 2 CHAPA DE AÇO-ASTM A-36 GALVANIZADO DE 13mm XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 9
4. EXECUÇÃO Os serviços de instalação dos reforços 1 e 2 foram executados em momentos distintos, obedecendo, entretanto, a uma mesma seqüência: usinagem e galvanização das chapas e barras de aço, furação da viga de concreto armado e chumbamento das barras de ancoragem roscadas tipo HAS e por fim a colocação, posicionamento e ajuste dos reforços, incluindo aí a protensão dos cabos especificada para o reforço 1. 4.1 CONFECÇÃO DAS PEÇAS Algumas fotografias das etapas de fabricação dos reforços tipo 1 e 2 estão apresentadas na Figura 11 a seguir. FIGURA 11 - Corte de Chapa e Vista dos Reforços Tipo 1 e 2 em Sequência 4.2 INSTALAÇÃO DOS REFORÇOS Optou-se inicialmente por iniciar a colocação pelo reforço 2, sobretudo pela maior facilidade de acesso para execução dos furos de fixação das peças. Ao contrário do que foi observado no reforço 1, onde a execução do serviço só foi possível com o auxílio da ponte rolante. Durante a colocação do reforço 2, os operários apoiaram-se sobre andaimes de madeira montados sobre a estrutura da própria treliça. Nas Figuras 12 e 13 mostram-se os reforços tipo 1 e 2 já instalados. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 10
FIGURA 12 - Reforço Tipo 1 Instalado. Vista Geral e Detalhes FIGURA 13 - Reforço Tipo 2 Instalado Os furos foram executados com diâmetro de 18mm, através de furadeira do tipo martelete. Algumas chapas foram deslocadas de sua posição pré-estabelecida devido a interferências dos furos com a armadura das vigas. Para fixação dos reforços no concreto foram usados chumbadores do tipo HY-150 com diâmetro de 5/8, fixados com adesivo híbrido, tixotrópico de alta resistência. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 11
4.3 PROTENSÃO DOS CABOS DE AÇO DO REFORÇO 1 Os cabos do reforço 1 foram esticados e presos à chapa superior e por meio da utilização de grampos e sapatilha, conforme especificado no projeto. Para aplicação da tensão de 2,5kN foram utilizados um tirfor e um dinamômetro, com o seguinte procedimento: Fixa-se a parte superior do cabo (sapatilha e grampos) ao nó superior da treliça metálica através de pernas auxiliares. Posiciona-se a parte inferior do cabo, na chapa chumbada à viga de concreto armado, através da sapatilha e grampos, porem sem apertá-los. Liga-se a ponta do cabo ao dinamômetro em série com o tirfor, por sua vez ligada a uma das peças de fixação na treliça, formando um sistema paralelo ao cabo. Tensiona-se o cabo através do tirfor até que o dinamômetro indique uma força de 2,5kN. Prendem-se os grampos e retira-se o sistema dinamômetro-tirfor. Na Figura 14 vêem-se duas das fases desse procedimento. FIGURA 14 - Fotos de Etapas da Instalação da Tensão de 2,5 kn no Cabo de Aço Na realidade, a força aplicada era pouco maior, em torno de 2,8kN, porque ao retirar-se o sistema há uma acomodação do cabo na sapatilha inferior que reduz a tensão no mesmo. Foi especificada uma vistoria anual nos cabos, para verificar se continuam tensionados, bem como uma inspeção após um vendaval com velocidades iguais ou superiores a 80 km/h, em todos apoios do reforço. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 12
5. CONCLUSÃO O reforço estrutural da cobertura da casa de máquinas da UHE Sobradinho, visando resisitir aos esforços causados por ventos excepcionais, utilizando basicamente cabos de aço como estais da treliça, mostrou-se prático, econômico e de fácil instalação. 6. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Companhia Hidro Elétrica do São Francisco pela autorização da publicação e ao engenheiro Aluízio Caldas e Silva pela colaboração na elaboração deste trabalho. 7. PALAVRAS-CHAVE Cobertura, treliça espacial, ação do vento, reforço. 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] LOREDO-SOUZA, A. M. (2003) Ação Estática do Vento sobre a Cobertura da Casa de Força da UHE de Sobradinho-Fase II: Elaboração do Modelo Reduzido e Ensaio em Túnel de Vento da Casa de Máquinas, nas Condições de Projeto, Relatório Técnico, Laboratório de Aerodinâmica das Construções - UFRGS, Porto Alegre. [2] PITTA, J. A. A.; LOREDO-SOUZA, A. M.; DEGASPARE, J. C. e CAVALCANTI, A. J. C. T. (2005) Efeitos da Ação do Vento na Cobertura da UHE Sobradinho, XXVI Seminário Nacional de Grandes Barragens, Goiânia. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens 13