“Não faz sentido refinar cálculos na esperança de obter resultados mais precisos se as hipóteses de partida não estiverem correctas.”
Lars Jorgensen, 1920
6.1 - INTRODUÇÃO
A análise do comportamento e a verificação da segurança estrutural de barragens envolve invariavelmente duas áreas fundamentais do conhecimento da engenharia, nomeadamente a geologia e geotecnica e a engenharia de estruturas. Através dessas áreas procura-se determinar as propriedades e capacidade resistente dos materiais constituintes dessas estruturas e sua fundação e a caracterização das acções, ou solicitações, às quais essas estruturas irão estar sujeitas durante as várias fases da sua existência, correspondentes às fases de construção, exploração, eventuais fases de reparação e reforço estrutural e, por último, a fase de abandono ou remoção.
Conhecidas as características e propriedades da fundação, a configuração geométrica e a caracterização dos materiais de uma barragem e conhecidas as acções que se estimam venham a ocorrer, nomeadamente a acção sísmica da região onde está inserida a barragem, é possível estimar os aspectos relevantes do seu comportamento através de análises estruturais que representam, de forma aproximada, a realidade a que essa obra irá ser submetida.
Neste capítulo apresentam-se considerações acerca das propriedades relevantes destes materiais, com referência para as do maciço de fundação, do betão convencional vibrado (CVC) e do betão compactado a cilindro (BCC) e as principais acções, e suas combinações, a considerar na avaliação da segurança estrutural de barragens gravidade em betão. Com interesse acrescido referem-se as principais propriedades dos materiais e as acções a ter em conta na análise estrutural dinâmica, cujos parâmetros de cálculo podem diferir dos considerados para as análises estáticas.
6.2 - VALORES CARACTERÍSTICOS DAS PROPRIEDADES DOS MATERIAIS E DAS ACÇÕES
A caracterização das propriedades dos materiais da superestrutura e do maciço de fundação deve ser efectuada por equipas de projecto que incluam principalmente geólogos, engenheiros geotécnicos, engenheiros de materiais e engenheiros de estruturas. Na fase inicial de projecto de uma barragem estes técnicos deverão definir as características mínimas exigidas para os materiais, a escolha do local de inserção e tipo estrutural da obra (USACE, 1999). Muitas vezes as propriedades dos materiais são definidas através da especificação de valores característicos.
O valor característico de uma acção ou de uma propriedade de um material corresponde a um valor estatístico, obtido, preferencialmente, com base de um elevado número de ensaios, que possam constituir uma amostra suficientemente homogénea apresentando adequados parâmetros de variabilidade dos seus valores, de forma a que a dispersão dos resultados e o erro estatístico associado ao número de ensaios seja satisfatório (EC1, 1991).
A noção de valor característico está expressa nos Eurocódigos e genericamente corresponde a uma estimativa, prudente, de uma propriedade ou acção específica, muitas vezes designada pela letra Gi, e
de uma resistência, designada pela letra Ri, sendo frequentemente definido como o valor correspondente
ao quantil de 5% e de 95% da lei da correspondente distribuição, para as acções ou resistências, consoante esse parâmetro for favorável ou desfavorável.
m-1,67 . s . sqr( (n+1)/n) (MPa), em que n é o número de medidas de massa específica, m o valor médio e s o desvio padrão. Assim, é geralmente considerado o quantil 0,05 como valor característico inferior, no caso das resistências ou acções com efeito favorável, e 0,95 no caso das resistências ou acções com efeito desfavorável, valor característico superior.
No domínio da análise estrutural de barragens, a construir ou existentes, a utilização de métodos estatísticos pode não ser a forma mais adequada para determinação dos valores característicos, uma vez que na maioria dos casos as amostras disponíveis compreendem um pequeno número de valores que se referem a zonas localizadas, seja na fundação ou na estrutura. Assinala-se contudo que para a determinação de algumas das características de resistência mecânica dos betões é habitual dispor-se de um número de resultados suficiente.
Para os casos em que as amostras são de dimensão reduzida, a estimativa de valores característicos das acções e das resistências não deve decorrer apenas de cálculos estatísticos, mas ser efectuada com base na experiência do projectista, a partir dos resultados de ensaios disponíveis, ou a partir de valores apresentados na literatura que servirão de valores guia de base (CFBR, 2006).
No estudo de barragens, e para a maioria dos casos, o valor característico não corresponde ao que se obtém de ensaios pontuais in situ ou em laboratório, mas aproximar-se-á a um valor médio obtido em diversos ensaios para uma superfície ou volume de rocha de fundação ou volume do material do corpo da barragem, sendo assim uma estimativa prudente próxima desse valor médio.
Por maioria de razão, em caso de escassez de valores, deverão ser realizados estudos de sensibilidade relativamente aos parâmetros adoptados, tanto para os materiais da barragem e da fundação como para as acções.
Alguns parâmetros são mais relevantes que outros, destacando-se nomeadamente, para as barragens gravidade de betão, a resistência ao deslizamento na zona de interface da barragem com a fundação e em superfícies de descontinuidade, tanto no corpo da obra como na fundação. Nestes casos deverão efectuar-se sempre análises que evidenciem os parâmetros preponderantes para a verificação das condições de segurança e qual o seu peso relativo nos resultados obtidos.
Estas análises deverão ter em conta diversas situações, de que se salientam a heterogeneidade dos materiais no corpo das estruturas, inerentes às juntas de betonagem, presença de fissuração, utilização de betões distintos, e os zonamentos geomecânicos do maciço de fundação, nomeadamente a distinção entre fundações homogéneas, de propriedades mecânicas com pouca variação espacial, fundações monolíticas constituídas por uma mesma rocha de características homogéneas, e fundações heterogéneas, com grande variação das propriedades mecânicas.
6.3 - CARACTERÍSTICAS DO MACIÇO DE FUNDAÇÃO
6.3.1 - Considerações gerais sobre geologia e classificação das rochas
O conhecimento dos fenómenos que ocorrem na parte acessível à observação directa do homem, ou seja do estudo da constituição e evolução da crosta terrestre e seus materiais constituintes, é realizado no âmbito da Geologia que é a ciência que estuda a história da Terra, a sua estrutura e os materiais que a compõem.
A crosta terrestre é formada por uma camada superior, normalmente pouco espessa, de solo ou terra arável, e rocha. Nas regiões montanhosas esta camada superficial pode mesmo não existir. Subjacente a esta camada superficial existe uma outra de consistência variável e, por vezes, de grande compacidade e dureza que se chama subsolo, em que os materiais que a constituem são as rochas (Faria, Oliveira, 1975).
Em termos geológicos uma rocha é definida como sendo um material natural, consolidado ou não consolidado e composto por um ou mais minerais, podendo neste último caso ocorrer na natureza como
um agregado de materiais (Jonshon, Robert B., 1988). Esta definição é usual ser efectuada por um geólogo, no entanto para um engenheiro uma rocha é mais simplesmente um material duro e compacto e que apresenta coesão e resistência às principais acções mecânicas, percepção que está, assim, ligada às exigências de resistência do comportamento do material que assumem importância para a realização de obras de engenharia. Um solo para a engenharia civil é usualmente entendido como um agregado de minerais que podem ser facilmente separados, não apresentando portanto propriedades de coesão. Cada rocha tem escrita em si a história própria da sua existência, ou seja, as condições em que foi gerada, a sua idade e as transformações sofridas até ao presente. Assim, os estudos geológicos são imprescindíveis para a definição das condições do maciço de fundação onde se inserem as estruturas (Faria, Manuel, 1975).
Os processos de transformação ambientais são responsáveis pela criação dos sedimentos que por sua vez irão formar as chamadas rochas sedimentares (Jonshon, 1988). Estes processos têm também uma influência fundamental na alteração das propriedades mecânicas nos maciços rochosos e nas rochas intactas que os constituem. Estas acções influenciam todos os tipos de rochas e são divididas em acções físicas de desintegração, essencialmente acções mecânicas, e acções químicas de decomposição das rochas.
Os processos de desintegração física originam a fissuração e quebra das rochas sem que ocorra qualquer processo químico relevante. Como exemplo refere-se o vento, a formação de gelo, os processos erosivos, os movimentos tectónicos, que muitas vezes originam sismos que provocam os efeitos referidos, e as variações de temperatura ambiente. Por vezes, as acções físicas são as percursoras para que se verifique a ascendência das acções químicas sobre os materiais rochosos.
Nas acções químicas incluiu-se a oxidação, a dissolução de minerais das rochas e processos de hidrólise devido à presença de água. Estas acções afectam um maciço rochoso proporcionalmente ao número e persistência de descontinuidades do maciço e tendem a estabelecer o equilíbrio de características entre rochas de composições e características diferentes localizadas à superfície ou próximo da superfície (Costa, Joaquim, 1979).
Os diversos tipos de rochas podem ser agrupados em três grandes grupos, que são classificados consoante a sua origem e os seus processos de formação. No Quadro 6-1 apresentam-se os principais aspectos destes três grupos de rochas (Faria, Manuel, 1975).
As rochas sedimentares constituem geralmente materiais de cobertura que foram depositados pela circulação de água e vento e são caracterizadas por apresentar planos de estratificação. A formação das rochas sedimentares representa assim o resultado da intervenção de numerosos factores ambientais terrestres e de ambientes marinhos (Jonshon, 1988). Como resultado este tipo de rochas exibe um alargado intervalo de propriedades, a sua presença manifesta-se por áreas com grande extensão lateral e com espessura variável. Deste modo a classificação das rochas sedimentares é mais difícil devido à sua composição de grãos provenientes de minerais de origem química ou orgânica.
Estas rochas formaram-se, como referido, pela desagregação e alteração de rochas existentes pela acção dos agentes atmosféricos e formaram-se à superfície da terra por acumulação dos produtos dessa desagregação e podem ser observadas no terreno através de cortes naturais, pela escavação de trincheiras e galerias e realização de sondagens por furação.
As rochas sedimentares dispõem-se quase sempre por camadas paralelas ou estratos e na fase de escavação da zona de fundação de barragens de betão são materiais que, na maioria das vezes, são removidos. A estratificação é assim o carácter mais significativo das rochas sedimentares. Neste grupo de rochas incluem-se alguns materiais como por exemplo areias, calhaus, argilas, conglomerados, grés, grauvaques, arenitos, margas, xistos e calcário.
As rochas metamórficas ou metamorfitos são rochas que resultam de alterações profundas de outras rochas preexistentes, tanto de rochas eruptivas como as sedimentares, designando-se por metamorfismo
o conjunto de fenómenos que determinaram essas transformações, dando origem a esta classe de rochas.
Os principais agentes dos processos de metamorfismo das rochas são as temperaturas elevadas, fortes pressões e fluídos em circulação como a água e o magma, impregnando as rochas, envolvendo as e modificando profundamente a sua constituição mineralógica. Estas distinguem-se das rochas originais por terem sofrido recristalizações e modificações de textura. Alguns exemplos de rochas metamórficas são o gnaisse, o micaxisto, xisto cristalino, ardósia, quartzitos e os mármores.
As rochas magmáticas têm origem em fenómenos de origem vulcânica e foram formadas a partir da matéria fluida a altíssima temperatura existente em profundidade, designada por magma. O magma ascende à superfície por diminuição da pressão motivada pela abertura de fendas na crosta terrestre dando origem, por arrefecimento da massa fundida, a diversos minerais que se agruparam de harmonia com as suas afinidades e assim se individualizaram, por cristalização fraccionada do magma, em diversos minerais.
Quadro 6-1 – Principais aspectos dos três grandes grupos de rochas. Tipos de rochas
Magmáticas Sedimentares Metamórficas
Originadas pela consolidação de magmas
Produzidas por depósitos subaquáticos ou subaéreos
Originadas pelo metamorfismo de rochas magmáticas ou
sedimentares Geralmente cristalinas Não cristalinas Geralmente cristalinas
Não estratificadas Estratificadas Estratificadas
Não fossilíferas Fossilíferas Excepcionalmente fossilíferas
Neste grupo de rochas incluem-se alguns minerais tais como os granitos, feldspato, quartzo e os basaltos. Um aspecto curioso da formação destas últimas rochas é o referente à sua consolidação que, por ter ocorrido em profundidade em que, devido à forma lenta e gradual deste processo, a cristalização foi total. Se o magma ascendeu através da crosta e veio consolidar perto da superfície, em virtude do arrefecimento brusco, a cristalização é parcial ou então não se chega a processar.
O granito resultou de magmas consolidados em profundidade, designando-se também por rochas plutónicas. O basalto provém de magmas consolidados perto da superfície e designam-se por rochas vulcânicas.
A dureza é um termo usado em geologia para denotar o grau de coesão de uma rocha e é normalmente expressa como a sua resistência à compressão. Designações como rocha dura e rocha branda são usadas pelos geólogos para distinguir entre as rochas metamórficas e rochas sedimentares Quadro 6-2, (Attewell, P. 1976).
Algumas das características das rochas podem ser determinadas através de ensaios à compressão de provetes até se alcançar o valor de rotura. A força de rotura de uma rocha é determinada pela tensão máxima necessária para provocar a rotura do provete. Este valor poderá fornecer através de correlações uma indicação das propriedades de uma rocha, nomeadamente dos valores da coesão e densidade. Em complemento à classificação apresentada, é também usual adoptar-se, no âmbito da classificação geotécnica, a divisão das rochas em dois grandes estruturas geológicas, que são as rochas intactas e o maciço rochoso. O termo rochas intactas é aplicado a rochas que não contêm descontinuidades, sendo sinónimo de material rocha homogéneo, e caracteriza a mineralogia, textura grau, tipo de cimentação e grau de alteração de uma rocha. O termo maciço rochoso descreve uma massa de rocha que pode estar afectada no seu arranjo por descontinuidades, podendo ser constituída por blocos discretos de
rochas intactas e possuiu características de anisotropia, sendo a configuração mais habitual apresentada pelos maciços rochosos (Jonshon, Robert B., 1988).
Quadro 6-2 – Classificação da dureza das rochas. Classificação Intervalo de resistência à compressão (MPa) Tipos de rocha
Muito fraca 10-20 Sedimentos e rochas sedimentares fracamente compactadas
Fraca 20-40 Rochas sedimentares fracamente compactadas e
xistos
Média 40-80 Rochas sedimentares competentes e rochas granulares ígneas Forte 80-160 Rochas ígneas competentes, algumas rochas metamórficas e arenitos bem compactados Muito forte 160-320 Quartzitos resistentes e rochas ígneas densas
6.3.2 - Realização de estudos geológicos e geotécnicos
Os estudos geológicos e geotécnicos do maciço de fundação de barragens é um capítulo de importância fundamental e corresponde à aplicação à engenharia civil da disciplina de geologia de engenharia. Esta disciplina permite estabelecer uma colaboração essencial entre estas duas áreas, geologia e engenharia, de forma a resolver as diversas questões que se apresentam durante os estudos de projecto e de reabilitação (Jonshon, 1988).
O conhecimento do tipo de rochas e o meio em que foram formadas, processos de evolução tectónica, assim como a evolução da história do maciço face aos processos erosivos e às alterações provocadas pelas acções ambientais, permite estimar as condições da fundação e formular os programas de ensaios e sondagens necessários realizar para caracterizar as propriedades da fundação.
Uma barragem de betão requer uma fundação em que a rocha seja sã e apresente boas características mecânicas. É importante que possua adequadas características de homogeneidade e resistência mecânica, nomeadamente que o maciço de fundação não apresente zonas de constituição geotécnica muito diferenciadas e que as suas características mecânicas, principalmente os valores da resistência à compressão e ao corte, satisfaçam os requisitos e critérios de segurança exigidos nas análises de estabilidade (Jonshon, 1988).
Este aspecto é tão importante que se verifica que os maiores acidentes em barragens ficaram a dever-se não à rotura pelas estruturas de betão, mas devido a roturas ocorridas na sua fundação (NRC, 1991). Um exemplo notável de rotura de uma barragem devido a problemas na sua fundação ocorreu em 12 de Março de 1928 na barragem de St. Francis. Esta barragem, localizada a 80 km a Norte da cidade de Los Angeles na Califórnia (Figura 6-1), era uma estrutura do tipo gravidade de betão, possuía 63 m de altura máxima e 213 m de desenvolvimento ao nível do coroamento. Logo após o primeiro enchimento da albufeira sofreu uma rotura pela sua fundação, que ocorreu quase instantaneamente, criando uma onda com cerca de 35 m de altura que destruiu uma extensa zona a jusante, provocando a morte de cerca de 400 pessoas.
Outros exemplos de acidentes provocados pela fundação foram os ocorridos nas barragens abóbada de Malpasset em França e barragem de Vajont na Itália. A barragem de Malpasset teve uma rotura em 2 de Dezembro de 1952 que destruiu diversas povoações situadas a jusante com um elevado número de perdas de vidas. O caso de Vajont foi diferente dos dois anteriores uma vez que a barragem de 262 m de altura máxima não sofreu danos significativos apesar de ter sido galgada por uma onda criada na albufeira em consequência de um enorme deslizamento de terras da encosta ocorrido em 9 de Outubro
Nenhuma das catástrofes anteriores se ficou a dever à actividade sísmica nos locais das barragens, no entanto, estes acidentes, permitem extrapolar as consequências para o caso de uma rotura brusca provocada por um evento sísmico que, provavelmente, para o caso das grandes barragens, criaria uma onda de inundação a jusante de grandes dimensões e consequências semelhantes muito graves.
Figura 6-1 – Vista de jusante da barragem de St. Francis e dos blocos que restaram após a rotura ocorrida em 12 de Março de 1928 (Geostrata, 2006).
Fundamentalmente podem-se definir dois tipos de investigação geológica, que são os estudos geológicos de âmbito regional e os estudos específicos para o local de implantação das obras.
Os estudos regionais são normalmente realizados para se obter informação que permita elaborar o planeamento numa área alargada, e possibilitam equacionar um vasto conjunto de soluções para o uso do território. Estes estudos envolvem grandes áreas e, muitas vezes, são realizados ao nível das entidades governamentais. A informação consultada deverá permitir determinar quais os elementos necessários recolher sobre a zona e determinar as principais ocorrências geológicas, como por exemplo a presença e proximidade de falhas geológicas consideradas activas e outros acidentes geológicos.
Os estudos locais resultam da selecção realizada nos estudos de âmbito regional anteriores e correspondem a uma investigação mais orientada para a engenharia de geologia. Os estudos do local concentram-se na informação geológica que afecta o projecto e a construção de uma determinada obra para um local específico. O objectivo principal destes estudos é o de avaliar o impacto de uma construção num determinado local e determinar se um projecto específico pode ser executado nas condições geológicas existentes, antecipando o que será provável ocorrer durante a construção, e desenvolver critérios para o projecto e métodos construtivos adequados às condições geológicas existentes.
Podem-se distinguir três fases distintas no estudo geológico de um local, que devem ser desenvolvidas em avanço e paralelamente ao desenvolvimento do projecto (Jonshon, 1988):
− estudo preliminar para validação do local;
− estudo de pormenor, que envolve investigações detalhadas do maciço e que permite obter a informação necessária para o desenvolvimento do projecto e planeamento da construção; − estudos complementares a realizar em face das condições inesperadas não previstas, que
Os estudos envolverão a realização de ensaios de campo, designados in situ, e ensaios em laboratório. Os ensaios de campo são os que melhor caracterizam as propriedades mecânicas do maciço. Estes testes são realizados para determinar principalmente as propriedades de resistência à compressão e à tracção do maciço rochoso, resistência ao corte, estado de tensão instalado no maciço, permeabilidade e deformabilidade. Estes testes apresentam geralmente um custo significativo, no entanto, se os resultados obtidos forem adequados, poderão permitir assumir hipóteses de projecto menos conservativas, ou seja a