Comportamento Sísmico de Barragens de Betão

A análise e a previsão do comportamento sísmico de barragens de betão, com recurso a modelos numéricos, constitui um domínio de investigação aplicada ainda insuficientemente explorado, no qual se interligam áreas de conhecimento muito diversificadas, cobrindo temas tão complexos como o comportamento constitutivo do betão, a modelação de maciços de fundação e de albufeiras de grandes dimensões, ou a simulação da própria acção sísmica.

A aliciante fonte de desafios associada à opção por um domínio tão multifacetado, obrigando o analista a um considerável esforço de especialização num elevado número de áreas de conhecimento, torna-­se, assim, facilmente sedutora.

A concepção de uma barragem de betão tem sido fundamentalmente determinada por critérios que visam assegurar níveis de segurança adequados face a acções de natureza estática muito condicionantes. Fortes restrições ao valor das tensões permitidas no betão são introduzidas com o objectivo de assegurar a satisfação de boas condições de funcionalidade em serviço – nomeadamente através da limitação da possibilidade de ocorrência de fendas por tracção – motivo pelo qual a abordagem deste tipo de estruturas é frequentemente realizada com apoio quase exclusivo na Teoria da Elasticidade.
A acção sísmica é usualmente considerada numa fase posterior, de acordo com uma típica análise de verificação, e raramente como condicionante de projecto. A inexistência, em barragens de betão do tipo gravidade ou abóbada, de qualquer colapso directamente relacionado com a acção de um sismo – os mais graves acidentes de que há conhecimento verificaram­-se nas barragens de Koyna, na Índia, e de Hsinfengkiang, na China, mas não podem, de facto, ser considerados colapsos – tem contribuído, de certa forma, para o sancionamento desta metodologia de trabalho.
A crescente exigência relativamente à necessidade de as previsões do comportamento estrutural serem progressivamente melhoradas, determinada tanto por imperativos de natureza económica como pela necessidade de assegurar níveis de segurança adequados, têm vindo a funcionar como catalisadores para o desenvolvimento de técnicas de análise numérica e de modelos constitutivos sucessivamente mais elaborados.
Assim, e relativamente à simulação matemática das condições de equilíbrio de uma estrutura, o Método dos Elementos Finitos congrega, hoje em dia, uma sólida fundamentação teórica e um apreciável nível de sofisticação, que o tomam a metodologia de análise numérica mais correntemente empregue na discretização dos meios contínuos envolvidos no estudo de barragens (à excepção de algumas situações específicas, caso da modelação da albufeira ou do maciço de fundação, em que a utilização do Método dos Elementos de Fronteira se apresenta, por vezes, como uma alternativa vantajosa).
No campo da análise de barragens, e à semelhança do que se verificou com outras estruturas, a consideração de modelos de comportamento não ­linear foi sendo primeiramente introduzida no contexto de aplicações estáticas, visando fundamentalmente a determinação das causas de patologias observadas ao longo do período de vida útil. De entre estas destacam­-se as relacionadas com a detecção de deslocamentos preocupantes, ocasionados por fenómenos como a expansibilidade do betão (devida a reacções dos inertes e do cimento com a água da albufeira), ou ainda com o aparecimento de fendas com extensão e profundidade consideráveis, frequentemente associadas ao envelhecimento dos materiais, inevitável num tipo de obras com tão elevada duração.

A existência de um considerável número de grandes barragens de betão projectadas anteriormente à década de 40 do presente século, particularmente nos EUA, e portanto em épocas em que os conhecimentos relativos à análise dinâmica eram ainda rudimentares ou mesmo inexistentes, veio igualmente a suscitar a necessidade de se proceder a uma adequada reavaliação da correspondente segurança à luz das mais recentes contribuições da Engenharia Sísmica, eventualmente incorporando o comportamento constitutivo não-linear dos materiais.

É um facto amplamente reconhecido que os modelos constitutivos não-lineares conduzem a grandes consumos de tempo de cálculo computacional, o que constitui um sério inconveniente, ou mesmo obstáculo, quando se trata de proceder à análise de estruturas tridimensionais de grande escala. Tomando em consideração que uma análise sísmica não-linear com integração no domínio do tempo envolve um acelerograma que, tipicamente, contém informação relativa a 1000 intervalos de tempo, responsável por um número de cálculos pelo menos uma ordem de grandeza superior, facilmente se compreende a razão pela qual uma avaliação não-linear do comportamento sísmico de uma grande barragem de betão é ainda hoje de utilização muito restrita. O cálculo não-linear de barragens de betão surge, por isso, quase exclusivamente associado à determinação, a posteriori, das causas de variadas patologias detectadas nas estruturas (eventualmente com o propósito de estabelecer medidas de reparação adequadas, a fim de garantir a segurança da obra), e só excepcionalmente com objectivos de concepção e de projecto.

A barragem de Koyna, situada na Índia, é provavelmente o mais famoso exemplo de uma barragem de betão tendo experimentado importante fissuração durante um sismo ocorrido em 1967, com magnitude 6.5 na escala de Richter e 0.5g de aceleração de pico na direcção montante-jusante. Esta barragem, fundamentalmente do tipo gravidade, suscitou a atenção da comunidade científica mundial, pelo que foi objecto de um grande número de análises dinâmicas, que demonstraram a falibilidade do rudimentar procedimento de cálculo pseudo­-dinâmico utilizado na sua concepção (então muito em voga, e baseado na consideração de um coeficiente sísmico constante em toda a altura da estrutura), o qual se revelou incapaz de reproduzir a acentuada amplificação das acelerações que veio a ser
detectada na zona superior dos monolitos, onde igualmente se observou uma significativa concentração de tensões de tracção.

O grande número de análises não-lineares efectuadas, quer para barragens deste tipo, quer ainda para diversas barragens abóbada, contribuiu muito assinalavelmente para evidenciar a possibilidade de se realizarem satisfatórias previsões numéricas da localização das mais importantes manifestações de não-linearidade produzidas por sismos intensos, expressas sob a forma de fissuração ou de esmagamento do betão.

Autor: Rui Manuel Carvalho Marques de Faria
Excerto Adaptado

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