Como se vem referindo, a obtenção de informação experimental é fundamental para caracterizar o comportamento de barragens de betão e avaliar a sua segurança estrutural. Tradicionalmente, a monitorização do comportamento destas obras sempre deu um importante contributo para o estado da arte em engenharia de barragens, mesmo após o grande desenvolvimento dos meios computacionais, verificado a partir da década de 1960, em que se chegou a perspectivar uma diminuição da sua importância, verificando-se precisamente o contrário, isto é a observação do comportamento destas obras tornou-se ainda mais importante, funcionando como um complemento fundamental para o desenvolvimento dos modelos numéricos (Dibiagio, 2000).
A importância da monitorização do comportamento estrutural de barragens de betão, também tem sido reforçada devido à constante e rápida evolução científico-tecnológica nos domínios que permitem o desenvolvimento dos equipamentos de medida, e devido ao desenvolvimento das metodologias de ensaio. Actualmente existe no mercado uma grande diversidade de equipamentos, comprovadamente robustos, adequados para a maioria das aplicações na instrumentação destas obras, e, em particular, para a monitorização do comportamento dinâmico.
Estes desenvolvimentos têm conduzido a um aumento significativo da tendência para a instalação de sistemas de recolha automática de dados (RAD). A instalação de sistemas RAD para grandezas estáticas começou na década de 1970 (Fanelli, 1980; ICOLD, 1999; Farinha, et al., 2004), enquanto para o caso de grandezas dinâmicas os primeiros sistemas RAD em obras de engenharia civil datam da década de 2000, apresentando-se neste trabalho uma proposta inovadora para a instalação e exploração de um sistema RAD com vista à monitorização em contínuo do comportamento dinâmico de barragens.
A aposta na recolha automática de dados para a monitorização do comportamento estrutural de barragens, para além de ser uma consequência lógica dos recentes desenvolvimentos tecnológicos, permite o desenvolvimento de metodologias e ferramentas computacionais de grande utilidade que aumentam a capacidade de interpretar o comportamento destas obras, permitindo melhorar a capacidade para projectar e construir novas obras e proporcionando uma maior confiança na exploração de obras antigas e recentes (Wieland, 2003). Nos sistemas de monitorização automática os equipamentos de medida e as metodologias de análise encontram-se interligados, formando uma cadeia na qual a informação experimental passa por diversas fases, começando pela medição de um sinal, seguindo-se a sua conversão e quantificação, atingindo a forma da grandeza física de interesse, passando pelos formatos considerados adequados para se proceder à análise, até se obter o produto final utilizado para efectuar as necessárias verificações da segurança estrutural das obras (Dibiagio, 2000). Usualmente, este processo é concluído através da elaboração de representações gráficas elucidativas, que permitam uma rápida interpretação dos fenómenos físicos envolvidos, nas quais se estabelecem, preferencialmente, relações directas entre as acções e a resposta estrutural.
Na referida cadeia de monitorização os sensores representam o primeiro elo, funcionando como os “olhos” dos sistemas de monitorização, sendo por esta razão, considerados como a principal componente dos sistemas. Nos últimos anos os sensores têm evoluído consideravelmente, existindo actualmente no mercado uma grande quantidade e diversidade de equipamentos, apresentando melhorias significativas em termos de precisão, fiabilidade, durabilidade e robustez e, tudo isto com custos cada vez menores devido ao crescente volume de produção para satisfazer as actuais necessidades.
No domínio dos sensores destacam-se ainda os designados “smart sensors”, que se caracterizam pelo facto de terem capacidade para assumir autonomamente algumas funções relacionadas com a correcção de erros sistemáticos e o processamento de sinal, por exemplo, para os quais os níveis de “inteligência” são cada vez maiores.
Numa cadeia de monitorização, aos sensores, seguem-se os cabos (ou outros canais de ligação), os quais estabelecem as ligações entre os sensores e os sistemas de aquisição de dados. À semelhança dos sensores, também neste domínio têm surgido importantes inovações, das quais se destacam o surgimento dos cabos de fibra óptica e as redes de sensores sem fios. No âmbito da instrumentação de barragens estas inovações têm um interesse evidente, uma vez que se apresentam como uma solução para alguns problemas tradicionais nesta área, designadamente, a instalação de cabos de fibra óptica evita os problemas electromagnéticos que ocorrem em locais onde existem campos de tensão elevados (o que é muito usual em barragens), são também uma óptima solução em caso de ocorrência de trovoadas (devido às descargas eléctricas), para além de serem a solução mais adequada para a transmissão dos dados em caso de distâncias longas (Garrett, 2007).
Nos sistemas de aquisição de dados, as potencialidades também têm aumentado significati- vamente, encontrando-se actualmente limitadas apenas por questões de custo e de racionalidade na definição das necessidades envolvidas em cada caso, com vista a obter soluções que apresentem uma boa relação qualidade/preço. Os sistemas mais recentes encontram-se dotados de várias funções, das quais se salientam a grande capacidade para adquirir e armazenar dados com elevadas taxas de amostragem, a possibilidade de efectuar análises on-line, a capacidade de gestão das bases de dados criadas, e a capacidade para estabelecer comunicações com utilizadores localizados em qualquer parte do mundo (via internet), permitindo o controlo remoto dos sistemas instalados em obra a partir de centros de análise especializados (Yamamoto, 2002).
Esta nova perspectiva, baseada no funcionamento em rede, utilizando a internet, permite aceder aos sistemas e aos dados com bastante comodidade, facilitando deste modo a automatização do processamento, a criação de bases de dados e a apresentação dos resultados finais de interesse para o controlo da segurança estrutural destas obras.
De seguida referem-se as principais grandezas observadas no âmbito do controlo da segurança destas obras, salientando-se aquelas cuja recolha pode e deve ser automatizada, as experiências recentes no âmbito da automatização de inspecções visuais e a automatização da observação do comportamento dinâmico.
2.4.2.1
Grandezas observadas para o controlo da segurança sob acções estáticas e dinâmicas No controlo da segurança de barragens são observadas diversas grandezas que permitem caracterizar a resposta das obras (barragem-fundação-albufeira) sob acções estáticas e dinâmicas. Na Tabela 2.1 apresentam-se as grandezas usualmente observadas em grandes barragens de betão e o tipo de dispositivo instalado para efectuar as medições. Como se pode verificar na referida tabela, é usual classificar as grandezas observadas consoante permitem caracterizar as acções, a resposta estrutural do corpo da obra e a resposta hidromecânica da fundação, evidenciando-se a negrito as grandezas associadas ao comportamento dinâmico.Tabela 2.1 – Grandezas observadas em grandes barragens de betão e dispositivos instalados para as medir.
CARACTERIZAÇÃO DAS ACÇÕES
Dispositivos instalados
Cota de água na albufeira • Escala de níveis - Limnígrafo
Acções
Termo-higrométricas
Temperatura do ar • Termómetro de máxima e mínima
Humidade do ar • Termohigrógrafo
Temperatura no
betão • Termómetros tipo Carlson
Acelerações sísmicas junto à inserção • Acelerómetros triaxiais Acelerações sísmicas na zona envolvente
(em torno da albufeira) • Estações sísmicas
CARACTERIZAÇÃO DO COMPORTAMENTO ESTRUTURAL
Dispositivos instalados
Deslocamentos no corpo da obra
Horizontais
• Fios de prumo
• Sistema para medição de deslocamentos horizontais em vários pontos do paramento de jusante, por geodesia de posição
Verticais • Nivelamento geodésico de precisão no coroamento
Movimentos relativos em juntas de
contracção • Medidores de junta e Bases de alongâmetro
Movimentos relativos em fendas e fissuras • Bases de alongâmetro uniaxiais
• Medidores de resistência eléctrica
Deslocamentos ao nível da fundação • Extensómetros de fundação
• Fios de prumo invertidos
Extensões no betão • Grupos de extensómetros Carlson
Caudais na zona fendilhada • Medidores de caudal na zona do paramento de jusante
acessível através dos passadiços
Acelerações no corpo da barragem • Acelerómetros uniaxiais e triaxiais
CARACTERIZAÇÃO DO COMPORTAMENTO HIDRÁULICO DA FUNDAÇÃO
Dispositivos instalados
Caudais drenados e infiltrados
• Medição de caudais à saída de vários drenos da cortina de drenagem
• Medição de caudais em Bicas totalizadoras
Subpressões • Medição de subpressões em várias zonas da fundação
Subpressões hidrodinâmicas em fendas e
2.4.2.2
Escolha de grandezas para automatizaçãoO recurso à utilização de dispositivos de recolha automática, para além de permitir um controlo mais expedito da segurança, visa também uma maior racionalização das actividades de observação das obras e, simultaneamente, o aumento da frequência e precisão das medições de um conjunto alargado de grandezas de observação, definidas como fundamentais para o controlo da segurança das obras.
Neste sentido têm vindo a ser propostos sistemas automáticos para medição da resposta estática, nomeadamente para a observação de deslocamentos podem automatizar-se as medições em fios-de-prumo (bases de coordinómetro com leitura automática) e podem automatizar-se as medições por métodos geodésicos, utilizando sistemas de taqueómetros motorizados dotados de um sistema de reconhecimento automático de alvos-reflectores (encontrando-se os alvos- reflectores dispostos no paramento de jusante das barragens) e sistemas de controlo de deslocamentos por GNSS16 (Duffy, et al., 2001; Oliveira, et al., 2010a).
No âmbito da observação do comportamento dinâmico propõe-se, com a realização deste trabalho, a instalação de um sistema RAD que visa a medição em contínuo de grandezas dinâmicas (nomeadamente acelerações), que permitem caracterizar o comportamento dinâmico das obras sob acções sísmicas (essencial para cumprir as actuais disposições regulamentares), sob acções devidas ao funcionamento dos órgãos de descarga e de exploração ou sob acções associadas ao denominado ruído ambiente (vento, trânsito local, trabalhos na zona envolvente, etc.).
2.4.2.3
Automatização das inspecções visuaisAs inspecções visuais são preferencialmente utilizadas para detectar indicações acerca de eventuais patologias, como sejam escorrimentos, fissuração, desalinhamentos, depressões, escorregamentos, etc. Uma vez identificadas estas situações, a inspecção visual assume um papel de destaque na avaliação e detecção de variações ou padrões espaciais destas incidências. Todavia, a grande maioria das inspecções visuais apenas fornecem informação qualitativa, sendo necessário complementar essa informação com dados experimentais provenientes da instrumentação instalada, para que se possa quantificar as referidas incidências.
A inspecção visual de barragens de betão e a sua instrumentação complementam-se e, em conjunto, proporcionam os elementos que permitem avaliar as condições de segurança destas obras.
16 O Sistema Global de Navegação por Satélite em inglês Global Navigation Satellite Systems (GNSS) trata-se de um termo genérico para referir os sistemas de navegação por satélite. Neste momento existem dois sistemas a operar, o GPS (Norte-americano) e o GLONASS (Russo). Encontram-se, ainda outros dois em desenvolvimento, o Galileo (Europeu) e o Compass (Chinês).
Relativamente à actividade relacionada com a inspecção visual de barragens de betão é necessário definir para cada obra a periodicidade das inspecções a efectuar, bem como o tipo de inspecções a realizar e os principais aspectos a ter em conta na inspecção. Finalmente é necessário encontrar a forma adequada para efectuar a apresentação dos resultados das inspecções visuais.
Na perspectiva do comportamento dinâmico de barragens de betão, as inspecções visuais são essencialmente utilizadas para detectar e aferir qualitativamente a importância da evolução de algumas das patologias referidas no início deste ponto, já existentes na obra ou, eventualmente, o surgimento de novas patologias devidas à ocorrência de eventos sísmicos ou a outras acções dinâmicas importantes.
Neste domínio tem-se recorrido recentemente à criação de imagens 3D através de técnicas de fotogrametria (ver Figura 2.40) que permitem criar uma base de dados sobre inspecções visuais (Berberan, et al., 2007), com a vantagem de estas imagens ficarem arquivadas e poderem ser analisadas e comparadas sempre que se entender, para avaliar, por exemplo, a evolução de eventual fissuração.
Figura 2.40 – Imagens 3D obtidas através de técnicas de fotogrametria para a Barragem do Cabril: ficheiro em
formato 3D PDF que permite aceder interactivamente a um modelo gráfico 3D com possiblidade de visualizar sectorialmente imagens orto-rectificadas com diferentes resoluções (Berberan, et al., 2007).
2.4.2.4
Automatização da observação do comportamento dinâmicoNos capítulos 4 e 5 deste trabalho apresenta-se uma estratégia para a automatização do comportamento dinâmico de barragens de betão, baseada na medição em contínuo de registos de
aceleração, em pontos criteriosamente seleccionados, que permitem avaliar os parâmetros da resposta dinâmica (frequências naturais, configurações e amortecimentos modais) e a caracterização da acção sísmica.
A avaliação dos parâmetros da resposta dinâmica é assegurada através da implementação de rotinas de identificação modal automática, que se apresentam no capítulo 3, enquanto para a caracterização da acção sísmica (detecção de eventos especiais) o sistema prevê que sejam accionados 3 níveis de alarme, que dependem da amplitude das vibrações medidas. No caso de os alarmes serem accionados, os dados são automaticamente guardados, em directorias específicas, para posterior análise.
Após a ocorrência de sismos podem-se efectuar, automaticamente, análises expeditas para verificar as condições de segurança das obras, designadamente, comparando os valores de pico da aceleração, medidos durante a ocorrência do sismo, com os considerados no projecto das obras, sendo também importante efectuar comparações entre os espectros de resposta e os diagramas de velocidade absoluta acumulada correspondentes ao sismo medido (no maciço rochoso envolvente), com os considerados no projecto (Fleitz, et al., 2003).
Após este tipo de análises pode-se prever o envio de mensagens para o correio electrónico dos responsáveis pela segurança das obras, ou para telemóveis.
Em casos de perigo iminente as mensagens de alerta podem ser enviadas para outras entidades, nomeadamente os responsáveis por parte do dono de obra, os agentes da protecção civil, que em situações extremas, em que exista perigo de colapso da obra e consequente risco de inundações, podem proceder ao accionamento de alarmes (ver Figura 2.41) para evacuação das populações a jusante da obra (Wieland, et al., 2009).
Figura 2.41 – Sirenes para emissão de alarmes para avisar as populações em caso de perigo de inundação (Wieland,