10Artigo Técnico Análise Operacional de uma Comporta Fusível Geraldo Lúcio Thiago Filho - UNIFEI / CERPCH Aloísio Caetano Ferreira - UNIFEI RESUMO Com a tentativa de execução de um plano de expansão do setor elétricoenergético brasileiro, abriu-se o caminho para aperfeiçoamento e desenvolvimento de novas tecnologias, focadas principalmente em três diretrizes: eficiência, segurança e redução de custos. O presente trabalho busca realizar uma analise objetiva da utilização das comportas fusíveis, como uma possível alternativa para o mercado brasileiro. O vertedor representa no que diz respeito a aspectos construtivos a boa parte da obra civil total, e sua construção em muitas das vezes se torna de difícil conclusão e apresenta um custo elevado por estar amarrada a aspectos da geografia do local. 3. COMPORTAS As comportas hidráulicas utilizadas em barragens são previstas com o objetivo de bloquear uma passagem hidráulica, podendo operar normalmente fechadas ou normalmente abertas, de acordo com sua função. As comportas que auxiliam a inspeção e a manutenção das estruturas civis, como canal de adução, tubulação de baixa pressão e passagens hidráulicas da Casa de Força, permanecem normalmente abertas, isto é, fora de operação. As comportas de desarenação ou limpeza têm a função de permitir, por ocasião de sua abertura, a eliminação de areia ou qualquer outro material decantado no fundo do reservatório. Em geral, são comportas de pequenas dimensões, porém sujeitas a pressões consideráveis, por estarem situadas próximas ao fundo do reservatório. As comportas podem ser construídas utilizando o ferro fundido, o aço e, em alguns casos, a madeira. As comportas de madeira são de construção simples, porém o custo está relacionado à dificuldade crescente em se obter madeira de boa qualidade. As madeiras empregadas na fabricação das comportas devem possuir boa resistência ao tempo e à umidade, a fim de evitar o apodrecimento prematuro. As comportas de ferro fundido são comportas pesadas, padronizadas por alguns fornecedores, porém de uso limitado. Normalmente, são previstas para suportar colunas d’água de até 10 metros sobre a soleira; as comportas de aço são de construção leve, baixo custo e de grande durabilidade, necessitam ser protegidas por adequada pintura, principalmente na linha d’água onde a agressividade da corrosão é maior. As comportas são guiadas em seu movimento de subida e descida por perfis metálicos, chumbados ao concreto nas extremidades laterais. A vedação, se possível, deve ser feita com perfis adequados de borracha sintética sobre quadro de aço inoxidável, o que garante um baixo índice de vazamento. Para pequenas comportas, o acionamento poderá ser feito manualmente, por meio de haste de aço com rosca ligada à comporta e movimentada por pinhão ligado a um volante, sendo o conjunto fixado na travessa superior de armação. É, também, possível a utilização de talha movida a corrente ou mesmo talha elétrica, desde que a instalação completa esteja dentro das disponibilidades orçamentárias. É importante considerar o fato de que as comportas são elementos acessórios, não tendo influência direta na produção da usina. No entanto, a rapidez na manutenção implica diminuição do tempo ocioso ou improdutivo da usina. Assim, durante o projeto, deve ser feita uma comparação entre o investimento inicial necessário e os benefícios obtidos na eletrificação do acionamento das comportas. Existem vários tipos de comportas, que executam os mais diversos tipos de funções, dentre estes vários tipos de comportas se destaca um tipo relativamente novo que foi desenvolvido para resolver problemas que acontecem na construção e manutenção de barragens “modernas”, esse tipo é conhecido como comporta fusível. ABSTRACT With the attempt of execution of a plan of expansion of the Brazilian electric-energy sector, opened up the road for improvement and development of new technologies, focalize mainly in three guidelines: efficiency, safety and reduction of costs. The present work search to accomplish one it analyzes it objectifies of the use of the fusegates, as a possible alternative for the Brazilian market. PALAVRAS CHAVE Componentes hidromecânicos, Comportas, Comportas Fusíveis. 1. INTRODUÇÃO Devido ao episodio famoso conhecido como “apagão” que aconteceu na virada do século, originado da grande depreciação do nível dos reservatórios das principais usinas hidrelétricas, o Brasil vive em alerta tentando aprimorarse, corrigir-se para evitar que tal fato se repita. Para tanto o governo juntamente com especialistas lançou vários programas de expansão do setor elétrico-energético brasileiro. A maioria das formas de geração de energia elétrica é altamente impactante para o meio ambiente e o desperdício cria a necessidade de novos impactos para atender à demanda. Na Alemanha, por exemplo, especialistas afirmam que só a energia gasta para manter os dispositivos de “stand-by” de televisores e outros eletrodomésticos corresponde à produção de duas usinas nucleares. Além dos impactos ambientais, novos empreendimentos de geração de energia implicam em gastos altíssimos custeados por toda a sociedade. Porem ao se analisar as perspectivas de crescimento para o Brasil, torna-se indispensável o investimento imediato na geração de energia, para evitar que a própria sociedade acabe tendo que sofrer um novo tipo de racionamento ou crise energética, isto faz com que se torne imprescindível o aprimoramento e desenvolvimento de novas tecnologias, visando a priori a busca pela a eficiência , a diminuição dos gastos e não se pode esquecer do fator de segurança pois, com as atuais mudanças climáticas torna-se cada vez mais difícil se prever um evento extremo como uma onda de cheia. As cheias podem ser induzidas pela ruptura de barragens, associadas ou não a fenômenos meteorológicos adversos. As ondas de cheias induzidas por estes acidentes são geralmente de propagação muito rápida e com forte impacto no tecido social a jusante e no ambiente. Os aproveitamentos hidráulicos do país, construídos para fins hidro-elétricos, hidro-agrícolas, de abastecimento público e mistos ascendem a mais de um milhar. Contudo aqueles que maior impacto têm no tecido socioeconômico dos vales a jusante são naturalmente os de média a grande dimensão, maximizando ainda mais o risco. 2. VERTEDORES Segundo SOUZA (1999), vertedor ou descarregador é um dispositivo utilizado para controlar ou medir a vazão em um escoamento por um canal, no caso de uma barragem o vertedor tem o objetivo de escoar o excesso de água acumulado pelo reservatório evitando assim o risco do nível de água atingir a crista da barragem. Basicamente pode-se dizer que é um orifício de grandes proporções no qual foi suprimida a aresta do topo, por isso a parte superior da veia liquida, se faz em contado com a pressão atmosférica. Os vertedores podem ser classificados de diversas formas, quanto à natureza da parede, quanto à forma geométrica da abertura, quanto à geometria da crista, quanto à largura relativa da soleira, quanto à altura relativa da soleira, quanto à natureza da lâmina d’água e quanto à inclinação do paramento da estrutura com a vertical. 4. COMPORTA FUSÍVEL As comportas do tipo fusível apresentam como principal característica o fato de como o próprio nome diz funcionar como um “fusível” de proteção, isto é ela executa a função designada pelo projeto, porem sua operação só acontece uma vez em situações extremas definidas em projeto respeitando uma prerrogativa muito importante quando se fala de barragem que é a segurança. A segurança das barragens é um problema que tem vindo a preocupar, cada vez mais, os técnicos e entidades responsáveis pelo projeto, licenciamento, construção e exploração destas infra-estruturas, verificando-se uma consciencialização crescente da existência dum risco potencial para as populações instaladas Artigo Técnico 11 nos vales a jusante. O desenvolvimento de um projeto especifico deve assegurar que: . nos EUA. há que não esquecer os prejuízos indiretos causados pela ruptura do sistema estabelecido. quando se necessita de aumentar a potencia gerada em uma usina hidrelétrica.Em situações normais a água escoara por cima da comporta. todas as unidades se desarmam rápido. dessa forma os benefícios adquiridos pelo sistema em cima de um longo período de tempo exceda em valor e inconveniência a perda de uma unidade e também sua perda de água . como mostra a figura 3. Os prejuízos resultantes de um acidente ou incidente com uma barragem. em que perdeu a vida um número muito reduzido de pessoas. conforme o numero de unidades instaladas de acordo com o projeto e em função do peitoril da barragem. porque elas eliminam um dos fatores mais importantes que condicionam os acidentes. ou aumentar a capacidade de um reservatório para abastecimento/irrigação.Diminuir custos construtivos relativos a estruturas tipo vertedores ou barragens de irrigação.Se acontecer a vazão máxima especificada em projeto . A título de exemplo. o reservatório interno enche. . evitando que o reservatório exceda o nível máximo de água. e Vajont. . como indica a figura 1.Aumentar os níveis dos reservatórios já implantados. então a estrutura sofre a ação de duas forças: uma no sentido do escoamento e outra de cima para baixo ocasionada pela pressão da água na câmera de pressão. 5. Os prejuízos diretos são os de mais fácil avaliação. quando prevê-se em projeto a instalação de comportas desse tipo na crista do vertedor pode-se diminuir a altura do mesmo pois será acrescida a ele a altura da comporta. os casos das barragens de South Fork. . embora com um risco diminuto. como indica a figura 2. podem ser bastante elevados. O conceito da comporta fusível “HYDROPLUS®” é baseado no seguinte processo: . mas em que se verificaram prejuízos materiais superiores a 10 milhões de reais. elas eliminam o fator humano pois como elas não necessitam de operadores elas obedecem restritamente às condições estipuladas em projeto. as unidades se detroem em seqüência. partindo do pressuposto. havendo a considerar prejuízos diretos e indiretos.O intervalo de repetição de uma inundação para uma primeira troca de uma comporta fusível é muito longa (de 20 a 200 anos ou até mais se assim quiser o empreendedor). . a comporta vai se inclinando até vir a tombar. COMPORTA DE ESTUDO Existem vários tipos e marcas de comporta fusível. Itália. aumento que dependendo das características do reservatório pode chegar segundo alguns fabricantes a 15% do volume total de água acumulada. a comporta “HYDROPLUS®”. RAMOS (1995) apresenta alguns números sobre vítimas e prejuízos causados por alguns desastres ocorridos nos últimos duzentos anos. um tanto materialista. em que morreram mais de 2 000 pessoas. As comportas do tipo fusível podem ser utilizadas em muitas funções das quais pode-se destacar as seguintes: . EUA. de que é possível quantificar o custo de vidas humanas.Quando acontece um evento estremo como uma cheia. não alterando assim suas características. Figura 1: 1º A água é escoada por cima da crista Figura 2: 2º O reservatório interno acumula água Figura 3: 3º A comporta fusível entra em ação Figura 4: componentes da comporta fusível O conceito assegura que: .Descarga de inundações pequena por cima da barreira da comporta . Mas além destes. porem este trabalho tenta fazer uma analise mais detalhada de uma marca/ tipo mais peculiar de comporta fusível. instala-se estas comportas na crista dos vertedores aumentando a altura bruta de água no valor da altura da comporta. e. .Quando o somatório das forças citadas anteriormente fica maior que a força peso que mantem a comporta no lugar. que pode demorar meses ou anos a normalizar. As comportas do tipo fusível primam pela segurança. citam-se os casos das barragens de Baldwin Hills e Teton.Para inundações que aconteçam em dois extremos.Descarga de inundações grandes pela abertura crescente. em uma sucessão que é projetada para evitar o aumento súbito da vazão de saída. A barragem de ST-HERBOT na França. A câmera de pressão tem de ser muito bem vedada pelos selos.Aumento da segurança sem sacrificar a capacidade de armazenamento. sem aumentar o nível Máximo de água. em particular. A altura do reservatório de água varia comumente de 1m a 6. localizado na Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI).O conceito ainda pode ser utilizado em novos empreendimentos visando a redução de custos e o aumento da segurança. a comporta fusível do tipo HYDROPLUS® pode ser usado para reduzir o peitoril e a altura da represa. ENSAIOS EM MODELO REDUZIDO Os estudo em modelo reduzido foi realizado no LABORATÓRIO HIDROMECÂNICO PARA PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (LHPCH). A estrutura do reservatório de água é sempre feita em aço. tanto os laterais quanto o de montante para evitar que a água do reservatório entre na mesma e atrapalhe as forças de pressão que determinaram o momento de tombamento da comporta. uma parede de entrada de água e uma câmara de pressão. foi realizado ensaios em modelo reduzido.5m e depende de exigências de projeto. porem geralmente equivalente a aproximadamente 40-80 % da profundidade de máximo de água de inundação no peitoril sem contar as comportas tipo fusível no lugar. cujo perfil foi construído em madeira e em chapa de aço galvenizado (figura 8). Alem das instalações foram utilizados um medidor de vazão ultra-sônico e uma balança de precisão (Figuras 6 e 7).2 m Altura da comporta: 1. recuperando até 80% da vazão anual que extravasaria. reduzindo a vazão de saída significativamente durante as inundações mais freqüentes.12 Devido a sua flexibilidade o conceito apresentado pode ser utilizado em várias represas existentes para: . uma bomba e toda uma tubulação em aço onde estão instalados manômetros de coluna e um medidor de vazão tipo Venturi. As comportas fusíveis tipo HYDROPLUS® são alinhadas lado a lado com articulações seladas entre elas. . dois quais podese citar dois reservatórios. Figura 6: Medidor de Vazão Ultra-Sônico Figura 7: Balança de Precisão Figura 5: Câmara de Pressão Foi construído para realização dos ensaios um vertedor do tipo retangular com duas contrações laterais. e todas as partes em aço são tratadas contra corrosão. Para a realização do estudo foi utilizado o canal de ensaio hidráulico.5 m Numero de unidades inst. A câmera de pressão pode ser vista na figura 5. . demonstrados a seguir.É possível combinar estes dois benefícios e ainda aumentar o aspecto de controle de inundação a jusante. Cada comporta é constituída basicamente de três partes: um reservatório de água. .: 5 Capacidade de vazão antiga: 27 m3/s Capacidade de vazão nova: 85 m3/s Aumento de vazão: 216% Com o intuito de testar as características deste tipo em especial de comporta fusível. Figura 9: comportas tipo fusível 6. duas das partes podem ser vistas na figura 4. esse .Aumenta a capacidade de armazenamento da represa. Artigo Técnico canal compreende uma série de equipamentos e estruturas. que apresenta as seguintes características: Figura 8: vertedor retangular (vista de jusante) Características Tipo de empreendimento : geração hidrelétrica Altura do vertedor: 20. Como exemplo de aplicação desse tipo de comporta pode-se citar: . abaixando a lamina de vertimento. depois com apenas uma comporta instalada no vertedor e por ultimo com duas comportas instaladas no vertedor. a velocidade. As características medidas foram a vazão que foi variando gradativamente. O estudo pode ser dividido em duas partes.Artigo Técnico 13 Os dois modelos de comportas do tipo fusível foram fornecidas pela própria empresa. O resultados dos cálculos forneceu o mesmo coeficiente médio de vazão para os três casos. mas só uma variando os pesos Figura 12: duas comportas instaladas e variando os pesos . este lastro é nada mais que um peso. Devido a estas características o acionamento das comportas está estritamente ligada ao lastro das mesmas. P: altura do vertedor (da base até a região aberta). 12 e 13) . Na segunda parte do estudo verificou-se o acionamento das comportas. a altura de lamina d’água e altura total bruta. a partir deste gráfico determinou-se a equação da vazão de tombamento em função do peso para cada situação. que corresponde a três situações diferentes (Figuras 11. e a partir dessa medição chegou-se ao seguinte quadro: Quadro 1: valores medidos em ensaio Com estes valores em mãos pode-se calcular o coeficiente de vazão “Cd” que devido às características do vertedor e levando em conta as contrações laterais pode ser determinado pela formula de Francis (1905) dada por: onde: Cd : coeficiente de vazão. que se dá de acordo com a pressão exercida pelas forças da água no sentido do escoamento e pela pressão provocada pela água que entra na câmera de pressão. em um primeiro momento mediu-se as características de escoamento em três momentos distintos. h: altura da lamina de água. primeiro sem nenhuma comporta instalada no vertedor.62. portanto no experimento tarou-se vários pesos e então fez-se várias medidas de vazão de tombamento gerando um gráfico (gráfico 1). Figura 11: apenas uma comporta instalada e variando os pesos Figura 10: forças exercidas na comporta Figura 13: Duas comportas instaladas. em torno de 0. BORTONI. M. por outro lado se o empreendedor optar por operar com bastante peso no lastro da comporta ficará mais difícil de tombar a mesma porem a segurança da barragem pode ficar comprometida em um caso de cheia extrema podendo danificar a estrutura da barragem ou até mesmo comprometer de vez suas operações.RAMOS. (2001) . o que significa um aumento de mais da metade e que reflete significativamente no resultado das vazões. M. torna-se quase que impossível prever eventos extremos. M. BIBLIOGRAFIA . Econômicos e Ambientais. J. porem segundo PORTO(2001). LNEC. ITH 38. colocando valores diferentes de lastro o empreendedor pode optar para uma segurança mediana e um custo operacional relativo menor. (2001).C. Z. ao se levar em conta as contrações laterais do vertedor e substituir o coeficiente médio encontrado a vazão que passa pelo vertedor pode ser dada por: 9. a partir dessas equações o empreendedor pode realizar os cálculos da segurança em função do custo da comporta.. pois com as atuais mudanças climáticas que o país e o mundo vem atravessando. 388p. EESC-USP. (1999). C. R.TANIGUCHI.14 Artigo Técnico questão o L subiu de 0.. (1995) . no caso do experimento em . Rio de Janeiro: ELETROBRÁS. Gráfico 1: Tombamento em função do lastro De acordo com a variação do lastro e do arranjo.com Esta publicação conta com o apoio de: This publication has the support of: onde: Q: vazão de tombamento em [m3/s] h: altura de lamina d’água [m] L: dimensão da soleira por onde ocorre escoamento [m] Portanto quando se instala as comportas ocorre um acréscimo da vazão que passa por ela para uma mesma altura de lamina. SP. . E. OTA. gerando a seguinte equação: onde: Qt: vazão de tombamento em [l/s] p: peso do lastro da comporta em [g] 7. .SOUZA. (2001) – Hidráulica Básica. isso se deve pelo fato do coeficiente de vazão ser determinado em função da altura de lamina de água e a altura efetiva do vertedor. SANTOS.Segurança de Barragens: Aspectos Hidráulicos e Operacionais. ANALISES E DISCUSÕES A primeira parte do experimento apresentou como resultado o fato dos coeficientes de vazão serem iguais para as três diferentes situações.www.. Artigo . C.R. . porem com isso terá um custo de recuperação da comporta que tombou além do custo relativo à altura d’água que escoou. . Este acréscimo na capacidade de vazão para uma mesma lamina pode ser entendido como uma grande vantagem no ponto de vista da segurança quando se pensa em acontecimentos extremos como ondas de cheias ou cheias milenares.360 m . A.VEIGA. Dissertação de Mestrado Apresentada à Universidade de SãoPaulo. Lisboa. Centrais hidrelétricas: Estudos para implantação.PORTO. F. para a primeira situação onde se encontrava apenas uma comporta instalada variando o peso obtevese a seguinte equação: 8. Para a segunda situação que se caracteriza pela presença de duas comportas instaladas onde as duas estão variando pesos iguais. quando instala-se as comportas a altura bruta sobe mais a altura efetiva do vertedor também sobe pois tem que ser acrescida a ela a altura das comportas. Informação Técnica de Hidráulica. para três possíveis situações de uso das mesmas. pois quanto menos peso tiver o lastro maior será a segurança porque ficará mais fácil da comporta tombar abaixando o nível do reservatório. SP. R. E. 47p.166 m para 0. Porem tem-se que tomar muito cuidado na questão da segurança. São Paulo. Outra opção é fazer com que as comportas funcionem em enfeito “dominó” isto é. FRIEDRICH. M..Oportunidades de Negócio com a Repotenciação de usinas: Aspectos técnicos. quanto em aumentar a capacidade de retenção de água de reservatórios. CONCLUSÕES Ao final deste trabalho pode-se concluir que a comporta do tipo fusível do sistema HYDROPLUS® se apresenta como uma boa alternativa tanto na questão da diminuição de custos construtivos. Como no Brasil a maioria das barragens estão localizadas em regiões de relativa importância econômica e com alta densidade populacional qualquer pequeno acidente pode significar um desastre de grandes proporções. H. 2ª edição. J. J. gerou-se a seguinte equação: Para a terceira situação fixou-se uma das comportas e a outra teve o peso sendo variado. Na segunda parte do experimento gerou-se as equações da vazão de tombamento em função do peso do lastro da comporta.hydroplus. Sistema de Acionamento de Comportas em Modelo Reduzido. São Carlos .