Tipos de Barragens e Componentes
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Tipos de Barragem de Concreto
Arco
- Pressões transferidas para as ombreiras.
- Exige grande escavação para atingir a rocha.
- Estabilidade depende da geologia.
- Consumo de concreto menor que em outros tipos.
Contrafortes
- Exige maior tratamento da fundação.
- Possibilita maior economia de concreto.
- Necessita controle geológico maior.
- Vales abertos ou semi-encaixados.
Gravidade
- Estabilidade devido ao peso e largura da base adequada à resistência da fundação.
- Vales semi-encaixados ou abertos.
- Concreto convencional ou concreto compactado com rolo (CCR).
Tipos de Barragem Geotécnicas
De Terra
- Indicada quando a rocha se encontra a grandes profundidades na área em consideração.
- Apropriada para vales pouco encaixados.
- Precisa de grandes volumes e áreas de empréstimo de materiais argilosos/arenosos.
- Adapta-se facilmente a quase todos os tipos de fundação.
- Aceita grandes longitudes e alturas.
De Enrocamento
- Espaldares de rocha e núcleo impermeável.
- Apropriada para vales medianamente encaixados.
- Locais com pouca disponibilidade de áreas de empréstimo de solos argilosos.
Concreto
Geotécnicas
Fatores Físicos que Interferem
- Condições topográficas locais.
- Geologia e geotécnica local.
- Hidrologia e condições climáticas.
- Infraestrutura regional.
A Escolha do Tipo de Barragem Dependerá
- Da existência de material qualificado para sua construção.
- Dos aspectos geológicos e geotécnicos.
- Da conformação topográfica do local da obra.
Principais Componentes de uma Barragem
- Coroamento
- Rip-Rap
- Talude de jusante
- Tomada d'água
- Filtro
- Fundação
Principais Componentes de uma Hidrelétrica
- Barragens
- Vertedouros
- Comportas
- Stop logs
- Condutos
- Chaminés de equilíbrio ou câmara de descarga
- Casas de força
- Tomada de água
Finalidade de uma Barragem
- Represar a água para captação e desvio.
- Elevar o nível da água para aproveitamento elétrico e navegação.
- Represar a água para regularização de vazões e amortecimento de cheias.
Vertedouros
São necessários para descarregar as cheias e evitar que a barragem seja danificada.
Comportas
Permitem isolar a água do sistema final de produção de energia elétrica, tornando possível, por exemplo, trabalhos de manutenção.
Tomada D'água
Permite a retirada de água do reservatório e protege a entrada do conduto de danos e obstruções.
Chaminé de Equilíbrio
Alivia o excesso de pressões causado pelo golpe de aríete.
Turbina
É uma máquina hidráulica que recebe em sua porta de entrada energia mecânico-hidráulica de um fluido, convertendo-a em energia mecânico-motriz. Desse modo, a energia disponibilizada em seu eixo mecânico é menor do que aquela fornecida pelo fluido.
Tipos de Turbinas
Ação
São conversores hidrodinâmicos que operam com a energia cinética da água, recebendo energia na forma mecânico-hidráulica e fornecendo na forma mecânico-motriz. O escoamento através do rotor ocorre sem variação de pressão. Toda a energia potencial do aproveitamento, a menos das perdas na tomada d’água e nas canalizações de pressão e forçada, é transformada em energia cinética antes de chegar às conchas do rotor da turbina.
- Pelton
- Michell-Banki
Reação
Turbina de reação é uma máquina hidráulica que converte energia mecânico-hidráulica, das formas cinética e de pressão, em energia mecânico-motriz. A água, à saída do rotor, pode estar a pressão positiva, negativa ou nula em relação à pressão atmosférica. O escoamento através do rotor ocorre com variação de pressão.
- Francis
- Kaplan
Para Centrais Hidrelétricas de Baixa Queda
- Tipo “S”
- Axial Bulbo
- Axial periférica ou Straflo
Escolha do Tipo de Turbina
Uma turbina é escolhida para atender a determinados valores de queda (Htop) e de descarga (Q), os quais dependem das condições próprias à usina onde a mesma é instalada.
Estudos de Projeto
- Estabilidade de Taludes
- Estudos de Percolação
- Análise de Tensão-Deformação
Os estudos de estabilidade e percolação são correlacionados, pois a estabilidade do talude depende diretamente da poropressão. A análise de tensão-deformação será realizada com a seção típica gerada pelo estudo de estabilidade e percolação, fornecendo os deslocamentos provocados pelo carregamento da barragem, além de verificar possíveis locais de ruptura.
É analisada a viabilidade de construção da seção → otimização das inclinações dos taludes → seção mais econômica que atenda às condições de segurança previstas.
Classificação dos Tipos de Centrais Hidrelétricas
Quanto ao Uso das Vazões Naturais
- Centrais a fio d’água
- Centrais de acumulação
- Centrais reversíveis
Quanto à Potência
- CGH: P < 3 MW
- PCH: 3 MW < P < 30 MW
- UHE: P > 30 MW
Quanto à Forma de Captação de Água
- Leito de rio ou de barramento
- Desvio ou em derivação
Função no Sistema
Estabilidade Quanto à Excentricidade
A excentricidade é a distância de aplicação da resultante dos esforços e deverá estar situada nos 2/3 a partir do eixo de tombamento.
Resistência ao Tombamento
Consiste na relação entre o momento estabilizante e o momento de tombamento em relação a um ponto de rotação. Desse modo, para se ter a estabilidade, o momento resistente deve ser maior do que o momento solicitante.
Exemplo Pelton 1
Determinar a potência hidráulica e a potência no eixo.
- Rendimento da turbina (ηt) = 88%
- Diâmetro do tubo do injetor = 15 cm
- Diâmetro da agulha do injetor = 8 cm
- Vazão (Q) = 80 L/s = 0,08 m³/s
Velocidade do Jato
Vz = 
= 
= 6,32 m/s
Htop = 750 + 0,25 + 
+ 0 = 752,29 m
Potência Hidráulica
PH = 1000 x 9,81 x 0,08 x 752,29
PH = 590,3 kW
Potência no Eixo
Pe = PH x ηh x ηt
Pe = 590,3 x 1,0 x 0,88 = 519,5 kW
Exemplo Pelton 2
Calcule o rendimento máximo do rotor, rotação, potência hidráulica e potência no eixo de uma turbina Pelton com rotor de 1 m de diâmetro.
- Htop = 1000 m
- Q = 0,1 m³/s
- K = 0,98
- S = 0,25
- βs = 6°
Cálculo da velocidade na saída do injetor
C = K x 
C = 0,98 x 
= 137,27 m/s
Cálculo da velocidade tangencial do rotor
U = 
= 
= 68,64 m/s
Cálculo da rotação
N = 
= 
= 1310 RPM
Rendimento máximo
ηtmax = 
= 
= 0,93 ou 93%
Potência hidráulica
PH = 1000 x 9,81 x 0,1 x 1000 = 981 kW
Potência no eixo
Pe = PH x ηh x ηt = 981 x 1,0 x 0,93 = 912,33 kW ou 1239 cv
Turbina de Reação
Calcular a altura de queda sobre a turbina abaixo e a potência no eixo.
- Rendimento da turbina (ηt) = 90%
- Desprezar perdas em canalizações
- Considerar perdas localizadas
- Diâmetro da tubulação de entrada = 250 mm
- Seção da tubulação de sucção: 650 mm x 250 mm
- Q = 0,3 m³/s
Velocidade na entrada
Vz =
= 
= 6,11 m/s
Velocidade na sucção (saída)
V1 =
= 
= 1,85 m/s
Altura de queda
H = P2 + a + 
H = 80 + 0 + 
- 2
H = 79,72 m
Potência hidráulica
PH = ρ x g x Q x H = 1000 x 9,81 x 0,3 x 79,72 = 234,6 kW
Potência no eixo
Pe = PH x ηh x ηt = 234,6 x 1,0 x 0,9 = 211,14 kW
Questão do Trabalho
Esforços que Atuam no Tombamento
Empuxo Horizontal Montante
EHM = 
= 1250 tf/m
De = 
x 50 = 16,67 m
Sob Pressão
S = γágua x m x H x 
S = 1 x 0,5 x 50 x 
S = 493,75 tf/m
Ds = 
x 39,5 = 26,33 m
Esforços que Não Provocam Tombamento
Empuxo Vertical de Montante
EVM = 
= 75 tf/m
Dev= 
x 3 + 36,5 = 38,5 m
Peso Próprio (Dividir em Formas Geométricas)
G1 = 
= 1981,78 tf/m
DG1 =
x 34 = 22,67 m
G2 = 
= 325 tf/m
DG2 = 34 + 1,25 = 35,25 m
G3 = 
= 187,5 tf/m
DG3 = 
x 3 + 2,5 + 34 = 37,5 m
Somatória
Momento de Tombamento (ΣMA) = EH x Deh + S x Ds
ΣMA = 1250 x 16,67 + 493,75 x 26,33 = 33837,93 tf.m
Momento Resistente (ΣMR) = EV x Dev + G1 x DG1 + G2 x DG2 + G3 x DG3
ΣMR = 75 x 38,5 + 187,5 x 37,5 + 325 x 35,25 + 1981,78 x 22,67 = 66301,95 tf.m
ΣMR > ΣMA = OK
Esmagamento
X = 
= 
= 15,64 m
Ex = 
- x = 
- 15,64 = 4,11 m
Escorregamento
EHm - EHj = 2178 - 8 = 2170 tf/m
ΣRV = G1 + G2 + G3 + G4 + G5 + G6 + EV
ΣRV = 1981,78 + 325 + 187,5 + 75 = 2569,28 tf/m
μ = 
= 
= 0,49
Tmax = 
x 
Tmax = 
x 
= 8,54 tf/m²
Tmin = 
x 
= 1,98 tf/m²
Verificar o Barramento Abaixo Quanto à Estabilidade
- γágua = 1 tf/m³
- γconcreto = 2,35 tf/m³
- μ = 0,65
- Φ = 0,7 (rocha)
Esforços que Atuam no Tombamento
Empuxo Horizontal Montante
EHM = 
= 2178 tf/m
Sob Pressão
Retângulo: γ x Hj x m x b = 1 x 4 x 0,65 x 41 = 106,6 tf/m
Triângulo: 
= 826,15 tf/m
Esforços que Não Provocam Tombamento
Empuxo Vertical de Montante
EVM = 
= 165 tf/m
Empuxo Horizontal de Jusante
EHJ = 
= 8 tf/m
Empuxo Vertical de Jusante
EVJ = 
= 1,3 tf/m
Peso Próprio (Dividir em Formas Geométricas)
G1 = 
= 387,75 tf/m
G2 = 
= 14,10 tf/m
G3 = 
= 310,20 tf/m
G4 = 
= 338,4 tf/m
G5 = 
= 2256 tf/m
G6 = 2,35 x 32 x 2 = 150,4 tf/m
Braço de Alavanca (Distância)
DEHM =
x 66 = 22 m
Ds (Retângulo) = 
x 41 = 20,5 m
Ds (Triângulo) =
x 41 = 27,33 m
DEVM =
x 5 + 32 + 2 + 2 = 39,33 m
DEHJ =
x 4 = 1,33 m
DEVJ =
x 1,3 = 0,43 m
DG1 =
x 5 + 32 + 2 + 2 = 37,67 m
DG2 =
x 2 + 32 + 2 = 34,67 m
DG3 =
x 2 + 32 + 2 = 35 m
DG4 =
x 2 + 32 = 33 m
DG5 =
x 32 = 21,33 m
DG6 =
x 32 = 16 m
Somatória
Momento de Tombamento (ΣMA) = EM x Dehm + S1 x Ds1 + S2 x Ds2
ΣMA = 2178 x 22 + 106,6 x 20,5 + 826,15 x 27,33 = 72680 tf.m
Momento Resistente (ΣMR) = Evm x Devm + Ehj x Dehj + Evj x Devj + G1 x DG1 + G2 x DG2 + G3 x DG3 + G4 x DG4 + G5 x DG5 + G6 x DG6
ΣMR = 165 x 39,33 + 8 x 1,33 + 1,3 x 0,43 + 387,75 x 37,67 + 14,10 x 34,67 + 310,2 x 35 + 338,3 x 33 + 2256 x 21,33 + 150,4 x 16 = 94147,12 tf.m
ΣMR > ΣMA = OK
Escorregamento
EHm - EHj = 2178 - 8 = 2170 tf/m
ΣRV = G1 + G2 + G3 + G4 + G5 + G6 + EVM + EVJ = 387.75 + 14.10 + 310.20 + 338.4 + 2256 + 150.4 + 165 + 1.3 = 3623,1 tf/m
μ =
= 
= 0,598 ≈ 0,60
Esmagamento
X =
= 
= 7,98 m
Ex =
- x = 
- 7,98 = 12,52 m
Tmax =
x
Tmax = 
x 
= 185,82 tf/m² ou 18,58 kgf/cm²
Tmin =
x 
= 54,6 tf/m² ou 5,46 kgf/cm²
Tadm = 70 kg/cm² ou 7 tf/m²