Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens

9 de dezembro de 2015 Curitiba-PR Instrumentação e procedimentos visando a segurança de barragens Rodrigo Moraes da Silveira, D.Sc.

Slide 2 Estrutura da apresentação 1 Introdução; 2 Aspectos gerais; 3 Auscultação e instrumentação; 4 Monitoramento; 5 Histórico da instrumentação; 6 Tecnologia de fibra óptica; 7 Instrumentos ópticos.

Slide 3 Introdução Objetivo: Abordar, de forma geral, as instrumentações de barragens para melhores práticas de projetos, construções e manutenção de barragens - visando a operação e a segurança estrutural.

Slide 4 Aspectos gerais Barragens: São estruturas construídas transversalmente a vales e utilizadas basicamente para a acumulação de água. Em função da finalidade as barragens podem ser classificadas como segue: - barragens para abastecimento de água - barragens para geração de energia elétrica - barragens para irrigação - barragens para controle de cheias - barragens para perenização de rios - barragens para criação de animais (gado, peixes, aves) - barragens para paisagismo ou prática de esportes - barragens para aprimorar as condições ambientais (umidificação) - barragens para contenção de sedimentos e/ou controle de erosão - barragens para contenção de rejeitos industriais - açudes e outras

Slide 5 Aspectos gerais USOS MÚLTIPLOS RESÍDUOS INDUSTRIAIS ANA ou órgãos estaduais de RH HIDRELÉTRICA Órgãos Ambientais REJEITOS DE MINERAÇÃO ANEEL DNPM Fonte: Apresentação ANA

Slide 6 Introdução Barragens: Barragens de concreto (armado ou rolado) - de gravidade, em arco e contrafortes Barragens convencionais de terra e/ou enrocamento Barragem de contenção de rejeitos Hoover dam, Nevada e Arizona, EUA Barragem da Vale, Conceição, Itabira/MG

Slide 7 Introdução Segurança de barragens: Lei nº 12.334-2010 Estabelece a Política Nacional de Segurança de Barragens; Resolução CNRH nº 143-2012 Estabelece critérios gerais de classificação de barragens por categoria de risco, dano potencial associado e pelo volume do reservatório; Resolução CNRH nº 144-2012 Estabelece diretrizes para implementação da Política Nacional de Segurança de Barragens; Resolução ANA 091/2012 Estabelece conteúdo mínimo e detalhamento do PSB e realização da Revisão Periódica de Segurança em barragens fiscalizadas pela ANA; Ofício Circular 308/2012 SFG/ANEEL (03/2012) Objetivou efetuar classificação de risco das barragens e identificar o planejamento em relação aos itens requeridos pela Lei 12.334/2010.

Slide 8 Introdução Segurança de barragens: Trata-se de uma preocupação permanente, tanto por sua importância econômica como pelo risco potencial. Risco potencial representa a possibilidade de ruptura ou outro acidente grave como, perdas vidas humanas, impacto ao meio ambiente, prejuízos materiais e reflexos econômicofinanceiros.

Slide 9 Aspectos gerais Definições aplicadas ao risco: Segundo o Nacional Research Council dos EUA, através de comitês, definiu a terminologia e conceitos associados a ameaças de escorregamentos de terra : Susceptibilidade: refere-se a possibilidade de que um evento catastrófico ocorra em uma área com base nas condições locais. Ameaça ou Perigo (Hazard): é probabilidade de ocorrência de um fenômeno potencialmente danoso, em um período específico de tempo, dentro de uma área determinada. Vulnerabilidade (Vulnerability): é o grau de perda de um elemento submetido a risco; Risco (Risk): é a probabilidade de consequências prejudiciais.

Slide 10 Aspectos gerais FASE I Reconhecimento da bacia; FASE II Inventário da bacia; FASE III Viabilidade; FASE IV Projeto básico; FASE V Projeto executivo; FASE VI Controle de qualidade durante a construção; FASE VII Operação; FASE VIII Manutenção.

Slide 11 Aspectos gerais Definições de critérios: Escolha do tipo de barramento (condições de contorno devem ser consideradas); Características geotécnicas e geológicas; Materiais de construção (propriedades); Investigações e ensaios de campo; Estudos hidrológicos e hidráulicos; Determinação da enchente máxima de projeto; Estudos de sedimentação; Estabilidade e erosão; Tratamento das fundações; Sistema de auscultação (INSTRUMENTAÇÃO); Cargas de projeto e condições de carregamento; FS a serem atendidos no dimensionamento.

Slide 12 Aspectos gerais O projeto geotécnico de barragens contempla os seguintes aspectos geotécnicos: Pré-dimensionamento da geometria da barragem: taludes, crista, bermas, etc.; Projeto da drenagem interna (filtros e drenos); Preparação das especificações para: - escavações, tratamento de fundações (lançamento, compactação e impermeabilizações (fundação da barragem e/ou do reservatório), filtros e drenos, instrumentação e controle (manual de operações); Dimensionamento final da barragem; Projeto da instrumentação e elaboração de cartas de risco; Aspectos geotécnicos das estruturas de concreto (drenagem, estabilidade, etc.); Análises de percolação da água através do aterro e das fundações da barragem (traçado de redes de fluxo em meios porosos; Dimensionamento dos filtros, drenos e transições da barragem; Análises da estabilidade dos taludes da barragem; Análises do comportamento tensão x deformação da barragem (prevenção a fissuramentos internos).

Slide 13 Aspectos gerais Tipos de problemas frequentes em barragens de terra (International Commission on Large Dams 1994):

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Slide 15 Auscultação e instrumentação Auscultação: É o conjunto de métodos de observação do comportamento de uma determinada obra de engenharia, com o objetivo de controlar as suas condições de segurança, comprovar a validade das hipóteses e dos métodos de cálculo utilizados no projeto, verificar a necessidade da utilização de medidas corretivas, fornecer subsídios para a elaboração de novos critérios de projeto, etc. Instrumentação: Refere-se ao conjunto de dispositivos instalados nas estruturas e em suas fundações objetivando monitorar seu desempenho através de medições de parâmetros, cujos resultados, devidamente analisados e interpretados, servirão para avaliar suas condições de segurança.

Slide 16 Auscultação O plano de auscultação da barragem deve prever todas as fases da vida útil da barragem e todas as atividades a serem realizadas:

Slide 17 Instrumentação Limitações (Dunnicliff, 1988): A instrumentação cobre somente um número limitado de regiões; A instrumentação pode ser danificada, pode falhar ou começar a funcionar precariamente com o envelhecimento, fornecendo resultados errados; Muitas vezes a ocorrência de uma anomalia não pode ser detectada porque a instrumentação não tem sensibilidade suficiente ou não foi instalada no lugar adequado; Muitos relatos de acidente afirmam que o problema não foi detectado pela instrumentação e que o alarme foi dado pela observação visual; Dificilmente a instrumentação detecta fenômenos inesperados não previstos na fase de projeto.

Slide 18 Instrumentação Quantidade (Dunnicliff, 1988): A quantidade de instrumentos a ser instalado em uma barragem está condicionada principalmente aos seguintes aspectos básicos: comprimento da barragem, altura máxima, características geológicas da fundação, características dos materiais utilizados no corpo da barragem e etapas construtivas. É inviável o estabelecimento de regras pré-determinadas definindo a quantidade de instrumentos a serem instalados em uma barragem (atender à estes vários condicionantes locais).

Slide 19 Instrumentação Quantidade (Dunnicliff, 1988): Para barragens pequenas e com nível de risco baixo a instrumentação estritamente necessária ou indispensável se resume normalmente a: Alguns piezômetros; Marcos topográficos de referência de nível; Medidores de vazão. Com esta instrumentação, instalada em pontos estratégicos (peculiares de cada barragem) entende-se que é possível verificar a ocorrência de anomalias.

Slide 20 Monitoramento RECALQUES PINOS DE RELALQUES MARCOS SUPERFICIAIS DESLOCAMENTOS HORIZONTAIS ESTAÇÃO TOTAL ROTAÇÃO NAS DIREÇÕES TRANSVERSAL E LONGITUDINAL ELETRONÍVEL VIBRAÇÕES SISMÓGRAFO DEFORMAÇÕES SUBSUPERFICIAIS INCLINÔMETROS NÍVEL D ÁGUA MNA PORO PRESSÃO PIEZÔMETROS

Slide 21 Histórico da instrumentação O primeiro inclinômetro Leonardo Da Vinci em 1480 Inclinômetro convencional - Slope Indicator O primeiro piezômetro Stephen Hales em 1733 O primeiro inclinômetro controlar a posição das maquinas voadoras no ar Piezômetro elétrico convencional Tritech O primeiro piezômetro Hales mediu pressão sanguínea de um cavalo.

Slide 22 Instrumentos convencionais Eletroníveis Inclinômetro Medidores de deslocamento superficial Marcos topográficos Fita de cisalhamento

Slide 23 Tecnologia de fibra óptica O QUE É A FIBRA ÓPTICA? CABO DE FO É um meio através do qual a luz pode ser transmitida, transportando informações, seguindo trajetos retilíneos ou curvos; Núcleo: tem a função de transmitir o sinal de luz; Cladding (casca): tem a função de manter o sinal viajando no interior do núcleo por reflexão total; Revestimento: a primeira camada não óptica, tem objetivo principal de proteção mecânica e reforço da fibra; Camada protetora: Fornece resistência à abrasão.

Slide 24 Tecnologia de fibra óptica PORQUÊ UTILIZAR FIBRAS ÓPTICAS? Imunidade eletromagnética; Elevada abrangência espacial até ~30km de monitoramento por cabo óptico; Baixo custo dos sensores (mas a unidade leitora é cara!); Facilidade de aquisição de dados durante as piores (e mais importantes) condições climáticas possibilidade de processamento e análise em tempo real.

Slide 25 Tecnologia de fibra óptica Fibras Ópticas como Sensores Características e Vantagens: Duráveis; Estáveis; Insensíveis a perturbações externas Imunidade Eletromagnética e Radio Frequência; Multiplexação; Multifuncionalidade; Isolamento elétrico; Tamanho e peso reduzidos.

Slide 26 Tecnologia de fibra óptica

Slide 27 Tecnologia de fibra óptica (adaptado de Smolen e Spek, 2003)

Slide 28 Tecnologia de fibra óptica

Slide 29 Tecnologia de fibra óptica APLICAÇÕES NA ENGENHARIA DE BARRAGENS Monitoramento de Barragens Temperatura em maciços de concreto (CCR); Erosão em núcleos de argila; Fluxos em material drenante; Infiltração em juntas; Detecção de vazamentos; Instabilidade de Taludes.

Slide 30 Tecnologia de fibra óptica FIBRA MONOMODO (DTSS) d 4µm a 10µm A luz viaja por um caminho único (de um único modo). Stokes Rayleigh Anti-Stokes Brillouin Brillouin Raman FIBRA MULTIMODO (DTS) d 25µm a 150µm A luz viaja por vários caminhos (ou de modos diferentes). Raman λ0 Comprimento de onda Fibra óptica ou fibra ótica?

Slide 31 DTS Distribuited Temperature Sensing Registro de dados de temperatura a cada 1 m; Alcance de até 6 km 30 km; Resolução 0,05 C 0,01 C; Taxa de aquisição mínima = 10.

Slide 32 Cabo de fibra óptica DTS Diâmetro externo = 5,6 mm; Proteção externa PEAD = 1 mm; Tubo perdido (loose tube buffer).

Slide 33 DTSS - Distribuited Temperature Sensing and Strain Registro de dados de temperatura e deformação a cada 1 m; Alcance de até 24 km; Resolução 1 C / 20 µε; Taxa de aquisição mínima = 2 (estático); Taxa de aquisição mínima = 10 Hz.

Slide 34 Cabo de fibra óptica DTSS O cabo de FO é o sensor; Possuí diâmetro de 5 mm; Composto por 4 FO (tight buffer); 2 Multimodo (DTS); 2 Monomodo (DTSS); Possuí elementos de reforço a tração (kevlar); Envolto por uma proteção externa; Resistência máxima a tração informada pelo fabricante é de 3 kn.

Slide 35 Custos (vantagens e desvantagens) MÉTODO CONVENCIONAL REDES DE BRAGG DTSS Sensor Corda vibrante Fibra de redes de Bragg Fibra óptica Medição Pontual Pontual Distribuída Resolução da deformação 0,5 1 µε 0,1 10 µε 2 30 µε Resolução espacial 50 250 mm ~ 2 40 mm ~ 1 m N de sensores por cabo 1 por cabo 40 sensores 20.000 100.000 sensores Tempo de aquisição Ciclos de 600 Hz 3 khz Acima de 5 MHz 4 25 minutos Deformação máxima 3.000 µε ~ 10.000 µε ~ 10.000 µε Custo do equipamento de leitura $2.000 $20.000 $20.000 $100.000 $100.000 - $200.000 Custo do sensor $150 - $500 $50 - $500 $0,20 - $20 por metro Característica Técnica convencional Deformação com alta precisão Medidas distribuídas Fonte: Bennett, 2008

Slide 36 Demonstração dos Métodos Distribuídos: https://www.youtube.com/watch?v=dg7whveunu0

Slide 37 Instrumentos ópticos Protótipo: Medidor do grau de saturação do solo Protótipo desenvolvido em gesso especial; Fibra óptica DTS disposta de forma helicoidal; Grau de saturação medido após equilíbrio do teor de umidade do meio com o protótipo; Depósito de patente em andamento.

Slide 38 Instrumentos ópticos Medidor de nível de água DTS Sítio experimental e em campo Protótipo instalado no sítio experimental dos Institutos Lactec e UFPR (Curitiba-PR) e em campo; NA determinado pela Tecnologia DTS + Método do aquecimento; Precisão ± 0,50 m (algoritmo matemático desenvolvido reduz a precisão para ± 0,10 m); Depósito de patente em andamento.

Slide 39 Instrumentos ópticos Instalações em campo Medidor de nível d água e piezômetros DTS Procedimento de instalação:

Slide 40 Instrumentos ópticos

Slide 41 Instrumentos ópticos Instalações em campo Encostas atravessadas por dutos da Petrobras Movimentos de massa DTSS (TAMBÉM APLICÁVEL A BARRAGENS TALUDE DE JUSANTE E MONTANTE. La Conchita, coastal area of southern California, spring 1995. MOTIVAÇÃO Segurança de dutos! É possível a tecnologia de FO ser eficientemente utilizada para o monitoramento de encostas? Pipeline Qual seria a estratégia de instalação do cabo de FO na encosta?

Monitoramento de Encostas Naturais com Fibra óptica Ancoragem simples subterrânea Disposição transversal do cabo de fibra ótica Ancoragem mista subterrânea Ancoragem superficial com grampo Disposição longitudinal do cabo de fibra ótica

Monitoramento de Encostas Naturais com Fibra óptica Deformação (%) Deformação (%) A B Perfil alterado pelo deslocamento de solo A B Perfil de referência Identificação dos limites transversais A Comprimento do cabo (L) B Perfil alterado pelo deslocamento de solo A B Perfil de referência Identificação dos limites longitudinais Comprimento do cabo (L)

Monitoramento de Encostas Naturais com Fibra óptica Deformação (%) 3 2 1 L1 1 L2 2 Identificação dos limites em profundidade 3 2 L3 1 L2 L1 L3 Comprimento do cabo (L) 3 Identificação dos limites em profundidade

Slide 45 Instrumentos ópticos Instalações em campo Encostas atravessadas por dutos da Petrobras Movimentos de massa DTSS Depósito de patente em andamento: Procedimento de instalação de cabos ópticos DTSS

Slide 46 Instrumentos ópticos Redes de Bragg Testes em Laboratório Sensor de poro-pressão P-01 (Sylex) em célula triaxial

Slide 47 Instrumentos ópticos Sensor de deslocamentos extensômetro ASC-01

Slide 48 Instrumentos ópticos Sensores - Redes de Bragg Sensores de poro-pressão e deslocamento na UHE Quebra-Queixo

Slide 49 Instrumentos ópticos Sensores de deformações instalados em UHE

Slide 50 Instrumentos ópticos Inclinômetro FO em fase inicial de estudo

Slide 51 Instrumentos ópticos Geração e transferência de calor no solo e água Método do Aquecimento Desenvolvimento de sistema para medida da velocidade do fluido Detecção de Erosão Interna

Slide 52 Instrumentos ópticos Geração e transferência de calor no solo e água Método do Aquecimento

Slide 53 Geração e transferência de calor no solo e água Método do Aquecimento

Slide 54 Geração e transferência de calor no solo e água Método do Aquecimento

Slide 55 Considerações finais A apresentação deu apenas uma ideia sobre instrumentação em geral. Não era objetivo esgotar o assunto; A FO é uma evolução na instrumentação geotécnica e no monitoramento espacial e contínuo, e já é uma real tecnologia de ponta; Está em ativo processo de desenvolvimento e ainda tem muito a ser estudado e evoluir, o que comprova sua potencialidade; Utilização em P&D e aplicações práticas em obras demonstram importância e futuros benefícios possíveis para a geotecnia;

Slide 56 Considerações finais Quanto a instrumentação como um todo, o monitoramento hidráulico-mecânico de barragens através da instalação de um adequado sistema de instrumentação desempenha um papel fundamental na avaliação do comportamento destas estruturas, tanto durante o período de construção quanto no regime de plena operação; É inconcebível grandes estruturas sem um adequado número de instrumentos com monitoramento assíduo procedido por profissionais com conhecimento específico.

Slide 57 Não há ensino sem pesquisa e pesquisa sem ensino. PAULO FREIRE Não há engenheiro sem conhecimento e atualização, que somados ao bom senso, iniciativa e criatividade formam o perfil de um bom profissional. FERNANDO SCHNAID A informação solicitada nem sempre é a informação necessária. A informação necessária nem sempre pode ser obtida. A informação obtida nem sempre é suficiente. A informação suficiente nem sempre é economicamente viável. FERNANDO SCHNAID

CONTATO: Rodrigo Moraes da Silveira rodrigo.silveira@lactec.org.br +55 41 3361-6280 www.institutoslactec.org.br