Circuito hidráulico de geraçÃo em “estrutura monolítica”, em forma de arco ou abóbada



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Comitê Brasileiro de Barragens

XXVI Seminário Nacional de Grandes Barragens

Goiânia – GO, 11 a 15 de Abril de 2005

T.97 A08



CIRCUITO HIDRÁULICO DE GERAÇÃO EM “ESTRUTURA MONOLÍTICA”,

EM FORMA DE ARCO OU ABÓBADA.
José BACALTCHUK Sobrinho

Engenheiro Civil - Bacal, Barragens Ltda.

RESUMO


Uma Inovação no Projeto Convencional das Estruturas da “Tomada D´Água” e da “Casa de Força”, em Usinas Hidrelétricas de Baixa Queda, é aqui apresentada. Consiste em ligar, de forma monolítica e contínua, o Tôpo dos Contrafortes da Tomada D´Água ao Tôpo dos Contrafortes da Casa de Força, através de Robusto Arco de Concreto Armado ou Treliça Metálica, engastados. Na nova Configuração Estrutural predomina Compressão ao invés de Flexão, resultando uso otimizado da seção plena das Paredes, Contrafortes e Cobertura bem como redução no Volume de Concreto submerso. A Inovação melhora as condições de Estabilidade, reduz o Volume de Concreto entre 10% e 15% e economiza US$ 2,0 a US$ 3,0 milhões por Unidade Geradora.




ABSTRACT


An Innovation in the Conventional Water Intake and Powerhouse Structures for Low Head Hydroelectric Plants is presented hereinafter. It consists of a Monolithic Connection from the Top of the Intake to the Top of the Powerhouse Buttresses, introducing a Reinforced Concrete Arch or Structural Steel hinged Roof. In the new Structural Configuration Compression Forces prevail instead of Bending Moments, with optimization of the full Walls, Buttresses and Arch Concrete sections, conveying to smaller submerged volume. The Innovation improves the Stability conditions, reduces the volume of Reinforced Concrete in the range of 10% to 15%, and allows savings of US$ 2,0 up to 3,0 million per Generating Unit.

Intake – Powerhouse – Monolith – Roof – Arch



  1. INTRODUÇÃO

O que aqui se apresenta é uma Inovação no Projeto e Construção para as Estruturas do “Circuito Hidráulico de Geração”, “Tomada D´Água” e “Casa de Força”, para Usinas Hidrelétricas de Baixa Queda. Consiste em ligar de forma Contínua e Monolítica , o Tôpo das Estruturas da Tomada D´Água e Casa de Força, através de uma Cobertura sobre esta última, em forma de Arco ou Abóbada de Concreto Armado, ou Treliça Metálica engastada no Concreto. Figura 1.



FIGURA 1: Circuito Hidráulico de Geração em Estrutura Monolítica

em Forma de Arco ou Abóbada Seção Transversal Típica

2. ANTECEDENTES


Para os Aproveitamentos Hidrelétricos de Baixa Queda que foram Implantados até o presente, além da função de Tomada D´Água, a Estrutura, funciona também, como Barragem de Concreto Armado para o Reservatório de Montante. De modo semelhante a Estrutura da Casa de Força funciona, também, como Barragem de Concreto Armado para o Remanso do Reservatório de Jusante.
Consistem em uma robusta Laje de Fundação de Concreto Armado (espessura variável em torno de 3,00m a 10,00m, ou mais) sobre a qual são engastadas, pela base, espessas Paredes Verticais ou Contrafortes. Figura 2.


FIGURA 2: Laje de Fundação e Paredes Verticais ou Contrafortes - Planta

A Cobertura da Casa de Força tem sido em Estruturas Metálicas leves ou mesmo em vigas de Concreto Armado, simplesmente apoiadas, ou em forma de Tampas Metálicas removíveis.
Embora interligadas pela Laje de Fundação, o Tôpo das Estruturas da Tomada D´Água convencionais, tem sido estruturalmente dissociado do Tôpo da Casa de Força, isto é, como se fossem altas Paredes Engastadas na Laje de Fundação e livres no Tôpo, sem vínculo Rígido, como que a extremidade superior fosse em balanço. Figuras 3, 4 e 5.

3 Unidades Geradoras, Extensão: 97m,
Término das Obras: 1982

FIGURA 3: U.H.E. Nova Avanhandava 300 MW – Rio Tietê – SP

Tomada D’Água e Casa de Força - Seção Transversal


18 Unidades Geradoras, Extensão: 476m,
Início das Obras: 1980 – Término: 1986

FIGURA 4: U.H.E. Porto Primavera 1.854 MW – Rio Paraná, SP-MS


Tomada D’Água e Casa de Força - Seção Transversal

4
Unidades Geradoras, Extensão: 174m, Início das Obras: 1.970 – Término: 1.973

FIGURA 5: U.H.E. Porto Colômbia – 320 MW - Rio Grande, SP-MG

Tomada D’Água e Casa de Força - Seção Transversal

Estas Estruturas Convencionais do Circuito Hidráulico de Geração tem exigido grandes volumes de Concreto Armado, afim de resistir aos enormes esforços a que estão submetidas, devido à Pressão Hidrostática da Água do Reservatório da Barragem, Empuxo Horizontal tanto do lado de Montante quanto de Jusante, assim como devido a Sub-pressão, para a qual o conjunto deve resistir ao efeito de Flutuação.
De acordo com o Princípio de Arquimedes que diz “Todo o corpo mergulhado num fluído experimenta um empuxo vertical de baixo para cima, igual ao peso do volume de líquido deslocado”, como o volume dos espaços vazios da Sala de Máquinas, é considerável, então resulta um grande volume de Concreto na Base, afim de imprimir peso ao conjunto.
Ao aumentar o volume de Concreto da Base, aumenta-se o volume de Escavação em Rocha e o que é pior, aumenta-se o Volume de Líquido deslocado (do Princípio de Arquimedes).
Tudo se passa como que se o Concreto Armado submerso tivesse Peso Específico de apenas 1,4 tf/m3 ao invés dos 2,4 tf/m3 (quando não submerso).
Os Projetos dos Empreendimentos Hidrelétricos licitados pela Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, para fins de Implantação, têm sido apresentados conforme mostrado nas figuras 6, 7, 8 e 9.




FIGURA 6: U.H.E. São Salvador 241 MW – Rio Tocantins – TO


Tomada D’Água e Casa de Força - Seção Transversal

F
3 Unidades Geradoras

3 Unidades Geradoras

IGURA 7: U.H.E. Serra Quebrada - 452 MW – Rio Tocantins, TO

Tomada D’Água e Casa de Força - Seção Transversal



9 Unidades Geradoras

F
IGURA 8: U.H.E. Estreito - 1.087 MW – Rio Tocantins – TO





8 Unidades Geradoras
Tomada D’Água e Casa de Força - Seção Transversal

FIGURA 9: U.H.E. Santa Isabel - 1.087 MW – Rio Araguaia, PA – TO

Tomada D’Água e Casa de Força - Seção Transversal

As espessas paredes e os Contrafortes de Concreto Armado, do Projeto Conven-cional, estão submetidos, predominantemente, a enormes momentos fletores, devido ao empuxo horizontal da água. Figura 10.





FIGURA 10: Cargas Hidrostáticas


As cargas que provocam Compressão nas Paredes são devidas, principalmente, ao peso próprio do Concreto Armado, que são pequenas, quando comparadas com o Empuxo Horizontal da água.


Disto resulta que, as paredes dos Projetos Convencionais que foram implantados até o presente, estão submetidas à Flexão Composta, com predominância de Momentos Fletores sobre a Compressão, ocasionando a sub-utilização da seção plena do Concreto Armado, cuja principal característica é a excelente Resistência à Compressão. Figura 11.

FIGURA 11: Tensões no Concreto

3. A INOVAÇÃO NO PROJETO E CONSTRUÇÃO


A Inovação que aqui se apresenta, consiste em uma “Estrutura Monolítica” e Contínua para o “Circuito Hidráulico de Geração de Energia Elétrica” em que a Estrutura de Concreto Armado da “Tomada D´Água” é ligada à Estrutura da “Casa de Força”, através de uma Cobertura, sobre esta última, em forma de um robusto Arco ou Abóbada de Concreto Armado, ou Treliça em Estrutura Metálica Engastada no Concreto. Figuras 12, 13, 14 e 15.


FIGURA 12: Circuito Hidráulico de Geração em Estrutura Monolítica

em Forma de Arco ou Abóbada, Alternativa - 1 -

Adução ao Nível do Leito do Rio - Seção Transversal Típica




FIGURA 13: Circuito Hidráulico de Geração em Estrutura Monolítica

em Forma de Arco ou Abóbada, Alternativa - 2 -

Adução ao Nível do Espelho D’Água do Reservatório

Seção Transversal Típica




FIGURA 14: Circuito Hidráulico de Geração em Estrutura Monolítica

em Forma de Arco ou Abóbada, Alternativa - 3 -

Paredes Espessas Inclinadas e Galerias de Serviço na

Área de Montagem - Seção Transversal Típica

Na figura 15 é mostrada uma Alternativa com Cobertura em Estrutura Metálica em Arco engastado no Concreto Armado da Tomada D’Água e da Casa de Força.




FIGURA 15: Circuito Hidráulico de Geração em Estrutura Monolítica

em Forma de Arco ou Abóbada, Alternativa - 4 -

Cobertura em Treliça de Aço Engastada no Concreto

Seção Transversal Típica

Tanto a Cobertura em Arco de Concreto Armado como a Cobertura em Treliça de Estrutura Metálica poderão dispor de Clarabóias para iluminação e ventilação da Sala de Máquinas das diferentes Alternativas.


Reduzindo-se o Volume de Concreto Armado da Laje de Fundação Submersa, bem como das Paredes e Contrafortes do Projeto Convencional e, acrescentando-se peso para a Cobertura da “Casa de Força”, em forma de Arco ou Abóbada, ligada monoliticamente à “Estrutura da Tomada D´Água” na Inovação ora proposta, o novo conjunto Monolítico e Rígido propicia um aproveitamento otimizado das seções plenas das Estruturas de Concreto Armado, as quais passam a ser solicitadas predominantemente a esforços de Compressão.
Devido ao peso próprio, a Cobertura em Arco ou Abóbada da Inovação, que não está submersa, imprime Resultantes Horizontais e Verticais nas Paredes Divisórias da Tomada D´Água e nos Contrafortes da Casa de Força, as quais contribuem mais favoravelmente para uma redistribuição otimizada das Tensões Internas de Compressão no Concreto Armado.


4. MÉTODO CONSTRUTIVO

Os métodos construtivos para a Infra-estrutura bem como das Paredes, Contrafortes e Galerias de Serviços do Projeto de Inovação podem ser os mesmos que vem sendo utilizados para a Construção do Projeto Convencional.


Quanto à Construção da Cobertura em Arco e Abóbada de Concreto Armado, sugere-se a utilização de formas horizontalmente deslizantes, apoiadas em Estrutura Metálica sobre rodas, correndo sobre a Viga da Ponte Rolante da Casa de Força.

5. ECONOMIA


Desta forma obtém-se uma redução considerável nas quantidades de serviços de:


  1. Concreto Estrutural da Laje de Fundação bem como das Paredes e/ou Contrafortes;

  2. Armaduras de Aço;

  3. Formas e Escoramentos;

  4. Escavações em Rocha.

Além disto propicia uma redução no Volume Total do Conjunto Estrutural Submerso, refletindo-se num menor Volume de Líquido Deslocado, e portanto, melhorando as condições de Estabilidade do Conjunto Monolítico.


A Economia resultante, da utilização desta Inovação em um Empreendimento de 4 Unidades Geradoras, pode alcançar a cifra de US$ 8.0 milhões. Para um Empreendimento de 9 Unidades Geradoras, a Economia pode alcançar a cifra de US$ 22.0 milhões.

Na Figura 16 é mostrada uma Superposição de Seções Transversais de um Circuito Hidráulico de Geração da Inovação sobre o Projeto Convencional, destacando-se com área hachurada, na cor laranja, o Volume de Concreto Armado a economizar.





FIGURA 16: Superposição




  1. RECOMENDAÇÕES



Recomenda-se que nas próximas licitações para Implantação de Empreendimentos Hidrelétricos, as Projetistas, além do Projeto Convencional, apresentem também, como Alternativa de Proposta, a Inovação ora apresentada.




  1. CONCLUSÃO

Considerando que:




  • o menor Volume da Construção submersa reduz o Volume de Água deslocado e melhora as condições de estabilidade do Conjunto Estrutural;

  • uma redução na espessura da Laje de Fundação submersa e respectiva Escava-ção em Rocha, bem como redução nas dimensões das Paredes e Contrafortes e, em contrapartida uma sobrecarga na Cobertura através de Robusto Arco, acima do Espelho D´Água, conduzem a um menor Volume Total do Conjunto;

  • o conjunto “Tomada D´Água” e “Casa de Força” em Estrutura Contínua e Monolítica é estruturalmente mais econômico;

  • a predominância das Tensões Internas de Compressão na Seção Plena do Com-creto Armado, conduz a um melhor aproveitamento da sua principal característica que é a Alta Resistência à Compressão.

A “Inovação” ora apresentada, oferece uma redução considerável no Volume de Concreto Armado e nos custos das Obras Civis, da Tomada D´Água e da Casa de Força, quando comparados com o “Projeto Convencional” que vinha sendo utilizado até recentemente.





  1. Palavras Chave

Circuito, Tomada, Casa, Monolítica, Arco.






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