“A importância da engenharia sísmica é evidente para os engenheiros que trabalham em zonas consideradas sismicamente activas. Mesmo nas regiões em que a probabilidade de ocorrência de sismos é baixa, não sendo no entanto desprezável, os engenheiros devem ter em conta esta acção para que as estruturas reunam as características de segurança adequadas.”
O. C. Zienkiewicz
5.1 - ENQUADRAMENTO
As preocupações relativas à segurança estrutural de barragens, em que a avaliação da resposta à acção sísmica é de particular premência, têm vindo a aumentar nas últimas décadas, principalmente devido ao crescimento das populações localizadas a jusante dessas obras. Constata-se também que os métodos de cálculo utilizados e as previsões efectuadas para as obras mais antigas estão desactualizados face às novas metodologias de cálculo, que representam melhor o fenómeno sísmico e a análise do comportamento das obras.
No âmbito do presente estudo foi possível verificar que para um número significativo de grandes barragens a acção sísmica apenas foi considerada de forma simplificada, havendo mesmo situações em que esta não foi sequer tida em conta, concluindo-se que, para um número muito significativo de barragens, os estudos relativos à vulnerabilidade perante a acção sísmica não foram devidamente desenvolvidos.
Face a este cenário, caso ocorra um sismo de grande intensidade, como já se verificou no passado e certamente se voltará a verificar no futuro, a não avaliação das consequências nas obras existentes deixa a incerteza de quais serão as estruturas que serão seriamente afectadas na sua estabilidade.
Dadas as consequências extremamente negativas na eventualidade de ocorrência destes cenários, em particular os que envolvem a perda de vidas, a interrupção do fornecimento de energia, a perda das reservas de água e as potenciais consequências económicas negativas devidas à ocupação a jusante das albufeiras, considera-se importante actuar no sentido de avaliar a vulnerabilidade das obras a construir e as existentes e avaliar os factores de segurança associados face ao exigido na legislação nacional e bibliografia internacional.
Para estas barragens deverão ser realizados estudos dinâmicos considerando a actuação da acção sísmica, devendo-se assim efectuar a revisão do projecto inicial para as obras mais importantes e considerando o estado actual das obras.
Por estas razões o comportamento sísmico real das barragens de betão é idealmente obtido e avaliado pela observação de barragens existentes e que foram sujeitas a sismos de magnitude elevada (NRC, 1991).
5.2 - CASOS NOTÁVEIS DE BARRAGENS QUE FORAM SUJEITAS À ACÇÃO DE SISMOS INTENSOS O estudo do comportamento de barragens existentes sujeitas a sismos intensos é determinante, uma vez que esses acontecimentos representam um ensaio à escala real dessas obras podendo-se, a partir do comportamento observado, retirar conclusões para o dimensionamento de projectos futuros.
Historicamente, a ocorrência de sismos apenas provocou danos significativos num pequeno número de barragens. Até à presente data não estão relatados acidentes onde se tenha registado perda de vidas
humanas devido à actuação da acção sísmica em grandes barragens e em obras que tenham sido bem construídas. Registam-se alguns casos, apenas cerca de 12 barragens, em que ocorreu a rotura da barragem com a libertação da albufeira, mas esses casos dizem respeito a pequenas barragens de terras ou de enrocamento e apenas o caso de uma grande barragem (Wieland, Martin, 2001).
Não é conhecido nenhum caso de rotura total catastrófica de barragens dotadas de estrutura integral de betão em resultado da ocorrência de sismos. Estima-se que apenas cerca de 100 barragens de betão tenham sofrido a acção de sismos e apenas 12 experimentaram acelerações, registados ou estimados, iguais ou superiores a 0,20g. No conjunto dessas barragens encontram-se os principais tipos estruturais de barragens nomeadamente barragens em arco, abóbadas múltiplas, gravidade, gravidade em contrafortes e barragens de terra e enrocamento.
Estes factos não significam que as barragens existentes sejam totalmente seguras para o caso da ocorrência de sismos, principalmente se esses sismos se aproximarem de valores do sismo máximo de projecto.
A maioria das barragens antigas foi construída com base em projectos que consideraram métodos de análise sísmica que actualmente são considerados inadequados, tanto em face dos valores da acção sísmica como à incapacidade dos métodos disponíveis em reproduzir com rigor o fenómeno sísmico nessas estruturas. Durante as últimas décadas foram realizados progressos significativos na avaliação da acção sísmica esperada nos locais de construção das barragens, assim como nos métodos de análise dinâmica.
A tendência actual, decorrente dos estudos de sismicidade efectuados para os locais em estudo, são no sentido de considerar valores elevados na intensidade dos sismos a ter em conta no projecto das obras que são actualmente projectadas.
Para ilustração desta questão a maioria das barragens antigas foram dimensionadas aos sismos através da consideração uniforme designada por pseudo-estática para valores do PGA que se situavam entre 0,05g a 0,20g. Contudo, um sismo com magnitude igual ou superior a 6 pode gerar localmente um PGA com que pode ser superior a 0,5g, isto é, cinco vezes superior aos valores considerados nos dimensionamentos mais antigos.
Devido à grande discrepância entre os valores considerados nos projectos primitivos e os valores do PGA calculados com as novas metodologias, não é possível efectuar considerações quanto à capacidade resistente das obras antigas sobre a sua segurança à acção sísmica sem a realização de estudos específicos. A realização desses estudos mostra que em muitas situações a principal conclusão que se pode retirar é de que não é possível garantir a segurança à acção dos sismos das barragens antigas, podendo mesmo algumas delas ser consideradas inseguras, quer ao nível de configuração estrutural quer, em muitos casos, devido à degradação dos materiais ao longo dos anos (Wieland, Martin, 2001). Os resultados de estudos analíticos e a sua comparação com casos de obras sujeitas à acção sísmica permite retirar conclusões quanto às formas estruturais mais adequadas e critérios de projecto adoptados, assim como validar os modelos de cálculo adoptados.
Deste modo, e retomando os objectivos traçados neste trabalho, a observação de barragens após a ocorrência de sismos permite obter as melhores indicações quanto ao comportamento estrutural real dessas obras, principalmente de evidências da ocorrência de comportamentos nas estruturas no domínio não linear dos materiais (NRC, 1991).
Um inventário das principais barragens que foram sujeitas a sismos significativos encontra-se apresentado nos Anexos A e B do documento (CIGB/ICOLD, 1999). A informação apresentada inclui o tipo e as dimensões das barragens afectadas, os principais parâmetros que caracterizam os sismos ocorridos, a distância do epicentro ao local das barragens e os principais danos observados. Um outro documento onde este tipo de informação está reportado é o (USCOLD, 1992).
O estudo do comportamento observado de barragens que foram sujeitas a sismos e a avaliação das consequências na integridade estrutural para os diferentes tipos de barragens, centra-se sobretudo no tipo e extensão das deformações residuais, fissuração ocorrida durante o sismo e outro tipo de danos que as estruturas acabaram por ser sujeitas (CIGB/ICOLD, 1999). Os acidentes ocorridos, e que se encontram documentados na bibliografia, representam bem o tipo de danos a que as barragens podem ser sujeitas perante a actuação da acção sísmica.
Pela sua importância refere-se seguidamente alguns dos casos de grandes barragens sujeitas a sismos intensos, distribuídas pelos mais diversos continentes. Esses acontecimentos referem-se à barragem de contrafortes de Hsinfengkiang, com 105 m de altura, situada na China em consequência de um sismo ocorrido em 1962, a barragem gravidade de Koyna, com 103 m de altura, para um sismo ocorrido em 1967 na Índia, a barragem em arco de Pacoima com 116 m de altura para sismos ocorridos em 1971 e 1994 na Califórnia, nos Estados Unidos, a barragem abóbada de Rapel com 110 m de altura para o sismo ocorrido em 1985 no Chile e a barragem gravidade de contrafortes de Sefid Rud com 106 m de altura para o sismo ocorrido em 1990 no Irão.
Estas obras registaram diferentes intensidades de degradação nas suas estruturas não tendo ocorrido, no entanto, qualquer rotura catastrófica (Wieland, Martin, (2003) d)). Referem-se também alguns casos de barragens de terras e enrocamento que estiveram próximo de roturas totais, as quais a acontecer teriam provocado danos gravosos.
Em todos os casos em que ocorreram danos estruturais gravosos não se verificou a libertação catastrófica da albufeira contudo, na maioria das obras sujeitas a sismos significativos foi necessário realizar grandes reparações de reforço das estruturas afectadas e em alguns casos limitar as cotas máximas de exploração dos aproveitamentos. Algumas destas obras foram sujeitas a trabalhos de reparação extensos e economicamente significativos, como foi o caso das barragens de Hsinfengkiang, Koyna e Sefid Rud. 5.2.1 - Efeito dos sismos em barragens gravidade
a) Barragem de Hsinfengkiang
A barragem de Hsinfengkiang está localizada na China, na província de Kwangdong. É uma estrutura gravidade de contrafortes, possui 440 m de desenvolvimento e 105 m de altura máxima e foi construída entre 1958 e 1959. A sua albufeira possui um volume de 11500x106 m3. De acordo com o projecto, a
barragem é constituída por 19 blocos, com configuração estrutural em contrafortes na zona central, e de secção em perfil gravidade maciço em ambas as margens. Esta barragem foi originalmente projectada para resistir a sismos até à intensidade de grau 6 na escala modificada de Mercalli (Wieland, Martin, 2003) d)) e (NRC, 1991).
Após a ocorrência dos diversos sismos próximos desta estrutura, durante e após o primeiro enchimento da albufeira, cuja origem se pensa terem sido induzidos pela criação da albufeira, a barragem foi reforçada para resistir a sismos até à intensidade de grau 8.
Em 19 de Março de 1962, e no seguimento da conclusão do primeiro enchimento da albufeira que se verificou em Setembro de 1961, a barragem foi sujeita a acções sísmicas intensas que se julga terem ultrapassado o grau 8 na escala modificada de Mercalli e para o qual a estrutura foi reforçada. O sismo mais intenso atingiu 6,1 de magnitude e teve o epicentro situado a cerca de 1,1 km do local da barragem.
Para esse sismo a barragem sofreu danos estruturais que se traduziram em fissuração horizontal, expressos pela rotura por tracção do betão na zona de mudança de secção dos blocos de contrafortes não galgáveis, localizados lateralmente aos blocos do descarregador de cheias, não se verificando a ocorrência de infiltrações pelas zonas fissuradas (NRC, 1991).
Após a ocorrência dos abalos sísmicos formou-se uma fissura horizontal contínua de 82 m de comprimento na parte superior da barragem, próximo do encontro direito, e diversas fissuras à mesma cota no encontro esquerdo da barragem (Brühwiler, E., 1990).
Quando da ocorrência desse sismo a obra não dispunha de nenhuma instrumentação que permitisse registar estes eventos. Após o abalo principal foi instalada aparelhagem para avaliação da acção sísmica, tendo-se posteriormente registado um sismo com o valor de magnitude 4,5 que produziu um valor de pico da aceleração horizontal ao nível do coroamento da barragem de 0,54g (5,3m/s2).
Os estudos estruturais realizados mostraram que seria de esperar o aparecimento de tracções elevadas nas zonas da barragem que fissuraram. Na sequência destas análises, foram executadas novamente obras de reforço estrutural para a barragem poder resistir a acções sísmicas ainda mais intensas, que consistiram no preenchimento com betão do espaço entre os contrafortes, com espessuras de betão colocado que atingiram valores superiores a 25 m junto à fundação, e através da redução da inclinação do paramento de jusante dos contrafortes de 1V/0,5H para 1V/1H nas zonas fissuradas da barragem (Wieland, Martin, 2004).
Na Figura 5-1 representa-se os locais da barragem onde se efectuaram os reforços estruturais, zonas assinaladas na figura por (2) e (3), assim como os blocos onde foram instalados sismógrafos sobre o coroamento, assinalados com os números 4, 5, 6, 8, 11 e 14.
Figura 5-1 – Barragem de Hsinfengkiang, planta, alçado e cortes (Jansen, Robert, 1988).
A longa série de sismos, cuja origem se julga ter origem na criação da albufeira, estendeu-se ao longo de um período que compreendeu os seis anos seguintes.
b) Barragem de Koyna
Um outro caso de referência é o da barragem de Koyna (Figura 5-2). Esta obra foi construída entre 1954 e 1963 e está localizada próximo de Maharashtra, na Índia. É uma barragem gravidade de betão com desenvolvimento em alinhamento recto e possui um comprimento de 854 m e 103 m de altura máxima e é constituída por blocos monolíticos com 16 m de largura. A barragem produz energia eléctrica, com uma potência instalada de 1,920 MW, e abastece de água a zona de Maharashtra (Wieland, Martin, 2004) e (Wikipedia, 2006).
Para reduzir os prazos de construção da barragem, o seu perfil transversal foi modificado para uma secção não convencional mais esbelta (Figura 5-3). Na concepção original da barragem estava previsto a sua construção em duas fases mas, durante o decorrer da primeira fase, foi decidido construir toda a estrutura da barragem até à sua altura final. Esta mudança originou que na secção transversal tipo da barragem, inicialmente projectada, fossem introduzidas modificações. A barragem, em consequência das modificações iniciais, passou a ter um perfil da face de jusante com uma inclinação de 0,153H/1V na parte superior e 0,720H/1V na restante zona inferior até à fundação e na face de montante uma inclinação vertical na parte superior e inclinação 1H/24V na parte inferior (Wieland, Martin, 2004).
Esta barragem foi projectada através de critérios que incluíam a exigência de não ocorrência de tensões de tracção em todas as secções da barragem, valores da tensão de compressão inferiores aos admitidos para o betão utilizado e o factor de segurança ao deslizamento com valores inferiores aos considerados admissíveis. Contudo, no seu dimensionamento às acções sísmicas, foi apenas considerada uma aceleração na base da barragem traduzida por um coeficiente sísmico de 0,05g.
Em 11 de Dezembro de 1967 ocorreu um sismo de magnitude 6,5 que teve o epicentro situado a cerca de 8 a 13 km do local da barragem, tendo-se registado, através de um acelerógrafo localizado numa galeria próximo do encontro direito da barragem, acelerações de pico de 0,63g na direcção transversal ao rio, de 0,49g na direcção montante-jusante e de 0,34g na direcção vertical (NRC, 1991) e (Brühwiler, E., 1990). Devido a esse sismo a barragem sofreu fissuração nos blocos não galgáveis, em ambos os paramentos de montante e de jusante, numa zona situada a cerca de 35 m a 45 m do coroamento, com desenvolvimento horizontal e correspondente à secção de transição de geometria (Wieland, Martin, 2003 d)). Verificou-se, também, haver evidências da ocorrência de movimentos relativos entre os blocos monolíticos durante o sismo. Foram também detectadas fissuras na galeria situada a cerca de meia altura da barragem e na galeria de fundação. Após o sismo os caudais da rede de drenagem aumentaram para cerca do dobro do valor que registavam antes do sismo.
Após este acidente observou-se o aparecimento de infiltrações pelas zonas fissuradas, não tendo, no entanto, ocorrido a libertação da albufeira por nenhuma zona da estrutura. Como consequência deste sismo a estrutura foi reforçada com contrafortes e cabos de pré-esforço, como é indicado na Figura 5-4. Embora no projecto se tenha assegurado o critério de não ocorrência de tensões na estrutura da barragem, o sismo de 11 de Dezembro de 1967 causou importantes danos, traduzidos por fissuração horizontal nos paramentos de montante e de jusante num número significativo de blocos não galgáveis próximo da zona de transição de inclinações do paramento de jusante.
Apesar de não ter ocorrido a libertação da albufeira, a fissuração ocorrida na barragem foi, como referido, muito significativa (NRC, 1991). Os estudos realizados decidiram o reforço da barragem através da construção de contrafortes sobre o paramento de jusante e instalação de cabos de pré-esforço a partir do coroamento da barragem, os quais abrangeram os blocos de maiores dimensões na zona não galgável da barragem, correspondentes à zona mais alta da barragem. Os blocos do descarregador de cheias não sofreram danos.
A análise da tectónica na região da barragem mostra que num dos braços da albufeira se situa uma falha que reporta à fase mais recente da história da terra, correspondente ao período holocénico (NRC, 1991).
Figura 5-2 – Vista da barragem de Koyna após o reforço estrutural, observando-se os contrafortes executados a jusante nos blocos não galgáveis (Radhakrishnan, Nisha, 2006).
Análises estruturais dinâmicas, considerando o domínio do comportamento linear dos materiais, desenvolvidas posteriormente por elementos finitos mostraram que seria de esperar o aparecimento de fissuração para sismos semelhantes aos ocorridos.
Os resultados das análises estruturais, assumindo o comportamento linear para os materiais, mostraram a ocorrência de tensões de tracção elevadas em ambas as faces, mais elevadas à cota da zona de transição de inclinações do paramento de jusante e zona do pé de montante da barragem, com valores máximos de cerca de 4 MPa no paramento de montante e de cerca de 6 MPa no paramento de jusante, para valores máximos da resistência à tracção do betão de 2,4 MPa. As tensões máximas de compressão foram de cerca de 7,6 MPa compatíveis com os valores máximos para a resistência dos betões.
Na Figura 5-3 apresenta-se uma planta geral da barragem e um corte por uma secção transversal tipo da barragem. Na Figura 5-4 representa-se o tipo de medidas de reforço estrutural a que a barragem foi sujeita após a ocorrência dos sismos.
Reforço por cabos de pré-esforço Reforço por contrafortes Figura 5-4 – Barragem de Koyna, perfil transversal (EERC, 2007).
c) Barragem de Blackbrook
A barragem de Blackbrook localiza-se em Blackbrook, na Inglaterra, Leicestershire, e é citada neste trabalho por ser uma estrutura gravidade antiga constituída por blocos de alvenaria e betão, com uma altura de 30m e paramentos de montante e de jusante em alvenaria (Figura 5-5). Foi a única barragem nesse país que sofreu danos na sequência de um sismo.
O sismo ocorrido em 1957 de grau 8 na escala de intensidade sísmica britânica, que tem um máximo de 10, correspondente a um sismo de magnitude 5,3 na escala de Richter, teve o epicentro estimado a cerca de 6,4 km da barragem. Em resultado do sismo o revestimento de alvenaria do paramento de jusante sofreu fissuração e os blocos de rocha de maiores dimensões próximos do coroamento desligaram-se da argamassa (British Dams Organitation, 2006). A barragem ainda se matém em exploração.
Figura 5-5 – Barragem de Blackbrook em Leicestershire, Inglaterra (Leicestershirevillages, 2007).
d) Barragem de Shih-Kang
A barragem de Shih-Kang está localizada no rio Da-Jia, em Taiwan. É uma estrutura constituída por 18 descarregadores equipados com comportas e dois descarregadores de superfície livre (Figura 5-6), possui uma altura de 25 m e um desenvolvimento do coroamento de 357 m, tendo a sua construção sido concluída em 1977 (Wieland, Martin, 2004).
Em 21 de Setembro de 1999 esta obra sofreu danos significativos durante a ocorrência do sismo de Chi- Chi que registou a magnitude 7,6 (Wieland, Martin, 2002). Em consequência desses danos ocorreu a libertação da albufeira, embora não catastrófica, num volume de água de 2,7x106 m3, principalmente
através dos vãos descarregadores mais danificados, números 17 e 18 (Figura 5-6 e Figura 5-7).
Figura 5-6 – Vista aérea da barragem de Shih-Kang e dos vãos danificados pelo sismo de Chi-Chi, ocorrido em 21 de Setembro de 1999 (Wieland, Martin, 2001).
O descarregador foi dimensionado para um caudal de 8 000 m3/s e uma cheia máxima de 13 000 m3/s,
pelo que a libertação não controlada do reservatório não causou inundações a jusante, tendo esta ocorrência sido semelhante a uma grande cheia.
A rotura da barragem verificou-se de forma mais gravosa nos descarregadores 16 a 18, próximos do encontro direito, e foi devida aos movimentos verticais de alguns metros da falha situada sob esses locais (Figura 5-7).
Os danos estenderam-se por toda a estrutura, verificando-se zonas extensas em que ocorreu fissuração no betão e, devido aos movimentos irregulares da fundação causados pelo sismo, ocorreu na maioria dos blocos a separação da barragem com a fundação, a qual é constituída por camadas de sedimentos argilosos, sedimentos siltosos e arenito. Assim, cinco vãos descarregadores e um descarregador não controlado ficaram inoperacionais imediatamente após o sismo. As vigas que suportavam o pavimento sobre a barragem registaram movimentos que as deslocaram para fora dos apoios iniciais (Wieland, Martin, 2004).
A barragem foi dimensionada aos sismos através da consideração de um coeficiente sísmico na fundação no valor de 0,15g. Para o local da barragem não foram feitos estudos para determinação do valor do PGA. Os registos das estações sísmicas na proximidade da barragem mediram valores de PGA de
0,51g e 0,53g na direcção horizontal e vertical respectivamente. Durante a escavação da fundação da barragem não foi identificada a existência de uma falha na fundação.
Figura 5-7 – Danos causados na barragem de Shih-Kang devidos a movimentos verticais e transversais de uma falha na fundação. Vista dos vãos dos
descarregadores destruídos números 17 e 18.
A barragem de Shih-Kang constitui um importante caso de estudo uma vez que foi a primeira grande