Medindo a Temperatura e Sentindo o Pulso da Barragem de Ensaio no Stevenson Creek

Taking the Temperature and Feeling the Pulse of the Test Dam on Stevenson Creek

Até anos recentes, as barragens em arco foram projetadas de maneira muito elementar. Supunha-se que o concreto resistia às cargas sem sofrer deflexão nem deformação, e o arco era tratado como uma porção de um cilindro rígido. O método para calcular a espessura de uma seção de arco, dadas certas condições, era simples demais para ser fascinante.

O crescente conhecimento sobre o concreto e os crescentes investimentos em barragens em arco trouxeram uma enxurrada de refinamentos ao projeto. Todos esses refinamentos tornaram-se necessários em reconhecimento ao fato bem conhecido de que o concreto se deforma. Talvez o primeiro deles tenha sido levar em conta o efeito das variações de temperatura sobre o comprimento e a forma do arco de concreto. O segundo foi incluir o efeito do encurtamento e da flexão do arco de concreto sob a carga d’água. Em seguida, veio o cálculo da carga absorvida pelas seções verticais em viga e a redução, nesse mesmo montante, da carga a ser resistida pelas seções horizontais em arco. Outros refinamentos foram a análise do efeito da expansão lateral decorrente da carga, do efeito do cisalhamento, do efeito da retração, do efeito da absorção de umidade e de outras condições importantes, porém muito incertas.

Antes que novos desenvolvimentos possam tornar-se prática corrente, é preciso avaliar a magnitude e a importância do conjunto de ações que haverão de determinar um projeto racional. Enquanto isso, para garantir a segurança e cobrir as incertezas, as barragens em arco vêm sendo construídas, presumivelmente, muitas vezes mais resistentes do que os cálculos exigem.

Reconhecendo o ganho certo em conhecimento e economia que daí advirá, a Engineering Foundation patrocina um ensaio até a ruptura, em escala real, de uma barragem em arco de concreto. O local situa-se no íngreme desfiladeiro do Stevenson Creek, na Serra Nevada, a sessenta milhas (~97 km) a leste de Fresno, Califórnia, onde o volume de água armazenado será pequeno e nenhum dano poderá resultar da ruína final.

A barragem foi concluída até uma altura de sessenta pés (~18 m) e será extensamente ensaiada antes de ser elevada. Trata-se de um arco simples, não armado, com 140 pés (~43 m) de comprimento de crista, 100 pés (~30 m) de raio, sete pés e meio (~2,3 m) de espessura na base e dois pés (~0,61 m) de espessura na cota de trinta pés (~9 m), sem variação de espessura dessa cota até a crista. As ombreiras formam ângulos de quarenta e cinco graus com a horizontal, de cada lado do desfiladeiro, e a porção central da fundação é um arco vertical de vinte e cinco pés (~7,6 m) de raio. O concreto é uniforme em toda a sua extensão, e numerosos ensaios de amostras indicam que ele é capaz de resistir a mais de duas mil libras por polegada quadrada (~13,8 MPa).

Como a distribuição das tensões depende das deformações do concreto, faz-se uma elaborada preparação para medir os diminutos movimentos internos e externos. Para medir o alongamento ou o encurtamento, quinhentas distâncias de dez polegadas (~254 mm) — entre pinos de aço sistematicamente dispostos nas superfícies da barragem — são medidas de tempos em tempos, com aproximação de um décimo de milésimo de polegada (~2,5 µm), por meio de extensômetros. A variação da inclinação da face de jusante da barragem é medida em sessenta estações, com aproximação de um milésimo de polegada em cinco pés (~25 µm em 1,5 m), por meio de um clinômetro vertical de cinco pés (~1,5 m). As variações da curvatura das seções horizontais em arco são medidas em cerca de cinquenta estações, por meio de um medidor de variação de raio especialmente projetado. Os movimentos das porções centrais da barragem, para montante ou para jusante, são medidos a partir das encostas do desfiladeiro, com teodolitos de agrimensor dotados de lunetas de grande aumento. Serão feitas medições para detectar o basculamento da fundação em cinco estações, dispondo-se uma barra de nível especialmente projetada sobre pesadas vigas I ancoradas e chumbadas na rocha. A separação entre a barragem e a fundação, em alguns pontos, já foi constatada pela medição de linhas de referência que se estendem da fundação à barragem. As distorções e temperaturas internas são medidas por 140 extensômetros de resistência de carbono (conhecidos como telêmetros) embutidos no concreto.

A partir dos dados obtidos pelos diversos instrumentos, todos os tipos de movimento podem ser determinados e conferidos. Tanto a flexão vertical quanto a horizontal do arco podem ser calculadas de forma independente, a partir dos dados do clinômetro vertical, do medidor de variação de raio e dos telêmetros. Os movimentos da porção central da barragem, como corpo, podem ser obtidos diretamente pelos teodolitos e clinômetros verticais e conferidos pelos telêmetros, pelos extensômetros e pelos medidores de variação de raio. As deformações totais de tração e de compressão, independentes da flexão, podem ser medidas pelos extensômetros e telêmetros.

Os telêmetros são um produto do Bureau de Padrões dos Estados Unidos e constituem uma invenção relativamente recente. Cada telêmetro consiste, essencialmente, em uma pilha de anéis de carbono cuidadosamente preparados, apoiada entre duas peças de extremidade de aço. A pilha é protegida por um colar de aço que não interfere no movimento das peças de extremidade. Condutores elétricos, vindos de fora do cartucho, ligam-se às duas extremidades da pilha de carbono. Quando as peças de extremidade são aproximadas, o contato entre os anéis de carbono melhora e a corrente elétrica passa a fluir com mais facilidade. Uma vez calibrado o telêmetro, é tarefa simples detectar qualquer movimento relativo das peças de extremidade, medindo-se a facilidade com que a corrente elétrica atravessa a pilha. Quando o telêmetro é embutido, suas peças de extremidade ficam solidarizadas ao concreto, de modo que qualquer movimento interno no concreto altera a distância entre elas e, por consequência, altera a resistência elétrica da pilha. É possível detectar, com certa segurança, um movimento tão pequeno quanto dois milionésimos de polegada por polegada de comprimento (2×10⁻⁶). De fato, na barragem experimental, já se obteve com nitidez a livre expansão ou contração devida à variação de temperatura que ocorre em poucos minutos.

A barragem experimental é construída com um fator de segurança muito pequeno. Com o reservatório cheio, seria arriscado fazer medições na face de jusante sem conhecer algo das tensões no concreto. É justamente aqui que os telêmetros têm uma utilidade adicional de grande importância, pois estão ligados por fios a uma estação de controle, situada acima da barragem, onde não há perigo. Em poucos minutos é possível fazer e interpretar leituras suficientes para indicar, com alguma segurança, se a barragem está ou não em condições seguras. Se estiver segura, os observadores podem obter as leituras de todos os instrumentos. Se não estiver, as leituras dos telêmetros podem ser tomadas sem perigo até o exato instante em que a barragem se rompa. São essas as leituras que revelam as maiores diferenças entre o comportamento calculado e o comportamento real e que, por isso, têm o máximo valor.

O reservatório ainda não foi enchido, mas ensaios vêm sendo feitos regularmente para estudar os efeitos da retração, do aquecimento desigual, da cura do concreto e de outros itens necessários. Verificou-se que, a cada manhã, quando o sol começa a incidir sobre a face de montante da barragem, as porções centrais começam a se deslocar para montante. As fissuras entre as ombreiras e a barragem, no lado de montante, começam a se fechar; a pressão sobre o pé de montante da porção inferior da fundação aumenta, enquanto uma flexão perceptível ocorre por toda a barragem. À tarde, a barragem volta a defletir para jusante e retorna à sua posição do início da manhã. O maior deslocamento para montante observado em um único dia foi de um vigésimo de polegada (~1,3 mm). Por causa desse movimento enquanto o sol incide sobre a barragem, é necessário fazer as principais observações entre a meia-noite e o nascer do sol, para que os resultados representem as condições de equilíbrio da barragem.

A concordância entre as medições obtidas com os diversos instrumentos é francamente satisfatória. Tudo indica que nenhuma grande excentricidade de comportamento do arco passará despercebida. Levando o ensaio até o limite e podendo ler as distorções até o último minuto, antes da ruptura, há pouca dúvida de que os ensaios serão frutíferos.