Lições de Massingir

 

Março 3, 2010

 

Em artigo publicado na International Water Power and Dam Construction Chris Seddon (Aurecon South África) discute a causa do acidente que provocou a rotura das duas galerias da descarga de fundo da barragem de Massingir em Moçambique e detalha as lições a serem aprendidas por projectistas de galerias e tomadas de água sob pressão em betão armado.

 

tradução xitizap, hoje revista por um estruturalista (março 29, 2010)

 

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Lições de Massingir

 

A baragem de Massingir tem uma altura máxima de 48 m e uma albufeira com capacidade de armazenamento total de 2.9 Mm3. É propriedade da República de Moçambique e administrada pela Administração Regional de Águas do Sul (ARA-SUL). Foi concluída em 1977.

 

A 22 de Maio de 2008 houve uma massiva rotura no trecho final das duas galerias em betão armado, de secção em forma de ferradura, de 8.0 m de diâmetro, que fazem parte da estrutura de descarga das descargas de fundo.

 

Antes do acidente, as duas comportas radiais de jusante da descarga de fundo estavam fechadas e o nível de água na albufeira encontrava-se à cota 122.4 m, ou seja, 7.4 m acima da crista da soleira do descarregador de cheias, cujas comportas se encontravam igualmente fechadas.

 

Como as comportas do descarregador de cheias só foram instaladas poucos anos antes, a pressão hidrostática nas duas galerias era a mais alta alguma vez exercida até então durante a vida da barragem. Em Outubro de 2008 foi designado um empreiteiro para demolir todo o betão solto e fracturado e remover o entulho e varões retorcidos. Este trabalho foi demorado, tendo decorrido até 2009.

 

A empresa Aurecon foi designada pela ARA-Sul para investigar, identificar as causas do acidente e preparar um relatório detalhado, que foi devidamente submetido em Maio 2009. Este artigo é um resumo desse relatório.

 

Análises Estruturais

 

Foram realizadas análises estruturais detalhadas das condições antes do colapso de modo a determinar as tensões no betão e nos varões de aço ocorridas antes do acidente. Diversas secções diferentes foram analisadas usando a análise complanar 2-D de extensões, em modelo de elementos finitos, e o programa “PROKON PS”.

 

As tensões na armadura foram calculadas assumindo a condição de o betão ter uma resistência à tracção igual a zero. As pressões hidrostáticas nos vazios (poros) do interior do betão foram tidas em conta, sendo este conceito discutido posteriormente neste artigo. Análises bi-dimensionais (2-D) na direcção da secção transversal foram consideradas apropriadas para esta investigação já que era claro que a acção estrutural predominante era uma tensão periférica.

 

As análises mostraram que a máxima tensão à tracção no aço era de 183 MPa e que geralmente a tensão de tracção não excedia 150 MPa. A comparação destes valores com a tensão de segurança do aço de 235 MPa indica que o aço não estava sobre-tensionado na altura da rotura, mesmo na base das normas de projecto para retenção de águas.

 

A tensão de arranque dos varões por corte (pull-out punching shear stress) na cobertura de betão sob as principais barras de aço foi determinada como sendo 0.91 MPa num ponto, e isto foi considerado excessivo. Nos outros locais esta tensão não excedia 0.56 MPa. Para o cálculo desta tensão assumiu-se que a pressão hidrostática teria penetrado nos vazios (hydrostatic pore pressure) do betão até à profundidade do reforço. Isto foi considerado provável porque a cobertura de betão é usualmente mais porosa que o betão principal e porque as micro-fissuras poderiam ter-se estendido até essa profundidade.

 

Projecto estrutural original

 

Uma análise básica de elementos-finitos foi realizada pelos projectistas do projecto em1969. A única secção em corte analisada foi a com três condutas unidas a montante da estrutura do desaguadouro. Essa análise apresentou todos os esforços à tracção nas faces interiores das condutas e, presumivelmente, é por isso que todos os principais reforços à tracção foram colocados nas faces curvadas do interior. Nenhuma análise foi feita para as duas condutas isoladas no trecho final da descarga de fundo, onde ocorreu a rotura.

 

Teste de Materiais

 

Foram efectuados testes pelo Laboratório de Engenharia de Moçambique a amostras do betão (150 mm do núcleo) e a comprimentos de provetes de aço da armadura de reforço de 40 mm de diâmetro. Estes testes mostraram que:

 

. o betão estava em bom estado e duro com uma rotura de resistência à compressão de 40 MPa.

. a rotura de resistência à tracção do betão era 2.3 MPa.

. a densidade média do betão era de 2400 kg/m3

. eram baixas as quantidades de sulfatos e cloretos.

. não foi detectado nenhum potencial de reacção alcalina

. a resistência à tracção do aço foi considerada como estando em conformidade com o grau de tensão 235 NL, ou seja varões redondos de aço ligeiro com um rendimento de esforço mínimo de 235 MPa.

 

Inspecções e observações no local

 

Foram realizadas várias inspecções no local com o propósito específico de se estabelecer a extensão e o mecanismo da rotura e a integridade das estruturas de betão que persistiram.

 

As principais observações foram:

 

. o betão parecia estar em bom estado e rijo, tal como testemunha o grande esforço feito pelo empreiteiro da demolição.

. ao longo de todo o comprimento da rotura a principal armadura de reforço consistia em varões redondos de aço ligeiro com 40 mm de diâmetro espaçados de 150 mm. A armadura longitudinal era, em geral, constituída de varões de aço de 20 mm de diâmetro espaçados de 150 mm e não havia armadura de esforço transverso. Estava tudo exactamente de acordo com os desenhos de construção.

. os varões de reforço de 40 mm de diâmetro estavam lacerados mas geralmente não fracturados e houve uma extensa remoção da cobertura de betão causada pelo facto de o reforço tênsil principal nas faces interiores se ter desligado. Isto alastrava-se por toda a área de rotura como se pode observar nas fotografias.

 

. Em ambas as galerias a secção revestida a aço (a blindagem) a jusante da área de rotura está, em geral, em excelentes condições. Contudo, no seu extremo a montante registaram-se algumas fissuras de dimensão significativa  do betão envolvente e algumas fissuras de menor dimensão no revestimento de aço no topo dos cantos.

 

A causa da rotura

 

Considera-se que a causa do acidente da estrutura final das duas galerias das descargas de fundo da barragem de Massingir foi a deficiente pormenorização do seu reforço.

 

À luz das investigações realizadas, considera-se que a estrutura falhou devido ao facto da principal armadura de resistência à tracção ter-se desligado do betão (ou o betão se ter desligado da armadura) nas superfícies curvadas do interior da estrutura. Isto foi evidenciado no local pela extensa quantidade de reforço que se desligou, mas sem fracturas, e pelas muitas superfícies de betão em que a cobertura se desligou e da qual se removeu o reforço.

 

É aparente que o projecto não tomou em conta as pressões que se estabeleceram nos vazios do betão que, sob condição hidrostática, actuam no interior das paredes de betão e nas secções de topo das condutas. É também aparente que os projectistas não consideraram que, a dada altura, estas pressões poderiam actuar por detrás da linha das armaduras de aço e não nas superfícies interiores do betão. Isto levou à pormenorização da principal armadura de tracção com varões curvos no interior das superfícies curvadas da estrutura onde, sob carga, ele tenderia a desligar-se.

 

É significativo que o acidente tenha ocorrido cerca de seis horas após o fecho da comporta de jusante do lado direito. Claramente, este foi o tempo que a plena pressão hidrostática levou a penetrar as micro-fissuras, juntas e vazios no betão até os esforços se terem tornado excessivos e ocorrer a rotura.

 

Como indicaram os resultados dos testes, a qualidade do betão e da armadura de reforço foram considerados como bons e não são considerados como causa contributária da rotura.

 

Deficiências na pormenorização do reforço

 

A figura 3(a) mostra os pormenores originais da secção A-A da armadura de reforço da estrutura de vazamento. O limitado espaço disponível para este artigo impede a inclusão de mais detalhes. A partir de todas as observações feitas no local após o acidente pode concluir-se que toda a armadura de reforço foi colocada correctamente de acordo com os tais detalhes de projecto.

 

As deficiências identificadas nos pormenores são:

 

. a principal armadura de resistência à tracção estava materializada através de varões curvos e colocados nas superfícies curvas do interior da estrutura onde, sob carga, tenderia a desligar-se do betão.

. na parede central, estes varões curvos eram o único reforço “vertical”.

. não foram providenciados estribos para resistir ao esforço transverso (shear links).

 

A figura 3(b) expõe um arranjo, preferido em percepção tardia, do reforço para a secção A-A. Nesta secção a armadura principal de resistência à tracção foi apresentada com barras direitas transversais e bem ligadas ao betão por forma a prevenir que ele se destligasse nas superfícies curvadass. Alguns estribos de resistência ao esforço transverso (shear links) eram igualmente indicados.

 

O disparador da rotura

 

A pormenorização deficiente do reforço foi identificada como a causa do colapso da estrutura e o desligamento da armadura principal de resistência à tracção do betão nas superfícies curvadas foi identificado como sendo o mecanismo que levou ao colapso da estrutura.

 

É também aparente que uma vez iniciado o processo de colapso, numa pequena área, a rotura progressiva de toda a estrutura ocorreria muito rapidamente. Assim, a origem do “disparo” que efectivamente conduziu ao colapso é menos importante do que a causa subjacente. Um possível mecanismo de “disparo” está ilustrado na Figura 4.

 

Pressão neutra sob condição hidrostática no interior do betão

 

É opinião do autor que, no projecto de certas estruturas de retenção de águas, as pressões que se estabelecem nos vazios do betão (pressão neutra) sob o efeito da pressão hidrostática devem ser levadas em conta, e este conceito é ilustrado na figura 5. Os efeitos das pressões nos vazios sob condição hidrostática no interior do betão são significativos em estruturas de betão armado com diâmetros relativamente pequenos e de paredes espessas sujeitas a altas pressões durante períodos longos, como é o caso das galerias da descarga de fundo da barragem de Massingir, e é neste tipo de estruturas que este conceito deve ser aplicado; … (note-se que nas paredes delgadas de estruturas com largo diâmetro como os reservatórios, os efeitos das pressões neutras sob condição hidrostática no interior do betão serão provavelmente insignificantes).

 

A principal justificação para este conceito é que isto é exactamente o que é feito no projecto de barragens de betão (ver Reference 1: Section 8, Concrete Gravity Dams, Sub-Section 8.10. Internal Water pressures, (a) Basic Considerations, and Reference 2: Chapter 3, Design Data and Criteria, Section D- Loads, Sub-Section 3-8. Internal Hydrostatic Pressure. Similar descriptions are given in Reference 3, Section 16, Gravity Dam Design, Internal Water pressure, and Section 19, Concrete Dam Performance, Drainage, Basic Considerations).

 

Considera-se que as galerias da descarga de fundo da barragem de Massingir são, no essencial, uma extensão da barragem no sentido em que é necessário que elas resistam à mesma pressão de água que a barragem. Em projectos de barragens há alguma controvérsia quanto à magnitude das pressões neutras sob condição hidrostática no interior do betão [4]. Igualmente, os leitores poderão tornar-se cépticos quanto a este conceito na base de que, apesar de todo o betão ser poroso, em certa medida, o betão intacto é relativamente impermeável. Contudo, juntas, fissuras e micro-fissuras ocorrem em betões enrijecidos e o conceito de que a pressão de água se desenvolve no interior destas aberturas é bastante compreensível.

 

Tomar em consideração as pressões neutras sob condição hidrostática no interior do betão resultará sempre numa estrutura de retenção de águas mais conservadora. Do mesmo modo, se existir uma junta de construção ou uma fissura que permitam a introdução da pressão de água deve-se cuidar do esforço adicional resultante.

 

Apesar de se ter efectuado uma pesquisa na literatura, nenhuma outra referência foi encontrada quanto à necessidade de se aplicar o conceito de pressão neutra sob condição hidrostática no interior do betão. Em vez disso, todas as referências relacionadas com o projecto de estruturas de retenção de águas indicam que a pressão hidrostática deve ser aplicada à superfície do betão. Todavia, a Referência 5 claramente estipula que “este código (normas) não cobre barragens, tubos e condutas”.

 

Lições a reter

 

. se o principal esforço de tracção se localizar no trecho quasi-circular da secção, deverá ser colocada suficiente armadura de reforço em aço na face exterior do anel de modo a suportar toda a tensão de tracção. Isto, a despeito do facto de uma análise de elementos-finitos da secção poder mostrar que os principais esforços de tracção possam vir a ocorrer na superfície interior.

 

. se a principal armadura resistente ao esforço de tracção for colocada perto da face interior, as barras deverão ter atravessamentos totais (full cross-overs) e ancoragens tal como recomendado na figura 3(b).

. deverão ser providenciados estribos adequados resistentes ao esforço transverso.

. a pressão neutra sob condição hidrostática no interior do betão deverá ser levada em conta no dimensionamento da secção e da armadura de reforço, tal como discutido e ilustrado na Fig 5. Isto pode ser simplesmente feito dimensionando a armadura de reforço com base na pressão de água aplicada na face interior. A quantidade de armadura deve então ser aumentada de modo a acomodar a força adicional ao longo de toda a secção, assumindo pressão neutra sob condição hidrostática no interior do betão.

 

Reabilitação

 

A reabilitação das galerias da descarga de fundo da barragem de Massingir será feita através da instalação de revestimentos de aço (6.4 mm de diâmetro) (blindagem) em ambas as galerias. Elas deverão ser envolvidas em betão e estender-se desde o lado de montante do núcleo da barragem até ao interior da secção de revestimento interior na estrutura de descarga.

 

Chris Seddon

 

Pr Eng, Structural Engineer, Water Engineering Division, Aurecon, South Africa.

 

Chris Seddon agradece à ARA-SUL por ter permitido a publicação deste artigo na International Water Power and Dam Construction

 

 

de volta a Massingir

 

Menos de um ano após o relançamento oficial da barragem de Massingir que durante 2004-06 havia sido objecto de grandes trabalhos de reabilitação num investimento público orçado em cerca de 125 milhões USD (AfDB - duas tranches (UA 61 + UA 17 milhões), a 22 de Maio de 2008 as duas galerias das descargas de fundo da barragem colapsaram causando prejuízos directos e indirectos avaliados em dezenas de milhões USD.

 

Do inquérito imediatamente instaurado pelo Governo de Moçambique (GdM) não foi possível extrair conclusões substantivas, pelo que as autoridades optaram por contratar um diagnóstico do acidente à empresa sul-africana Aurecon.

 

Dada a importância do empreendimento, e a periculosidade do seu actual estado de funcionamento, o GdM e AfDB rapidamente negociaram um novo acordo de empréstimo (aprox. USD 35 milhões) de forma a restaurar o pleno funcionamento da barragem.

 

Estas novas obras de reabilitação das áreas destruídas pelo acidente deverão, seguindo as novas recomendações dos consultores, rectificar os erros e deficiências que levaram ao colapso das galerias das descargas de fundo da barragem.

 

Entretanto, Chris Seddon, o principal autor do relatório de diagnóstico e das novas propostas de correcções, considera que há importantes lições de engenharia a tirar deste acidente, pelo que, na ausência de qualquer novo esclarecimento oficial sobre o assunto, xitizap disponibiliza uma versão em português do resumo do relatório de Chris Seddon recentemente publicado na International Water Power and Dam Construction.

xitizap # 53

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