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Um estudo de caso sobre a modelagem térmica de uma barragem de contraforte utilizando o software ansys. O objetivo é avaliar o comportamento térmico transiente do bloco de contraforte da usina hidrelétrica de itaipu, considerando as condições externas de temperatura a que este está sujeito. O documento discute as principais problemáticas na transferência de calor em barragens, a importância da correta avaliação do campo de temperaturas e as propriedades térmicas dos materiais. Além disso, são apresentados os instrumentos de medição de temperatura e a importância de ajustar os dados observados por meio de séries de fourier para serem utilizados como condições de contorno no modelo em elementos finitos.
Tipologia: Notas de aula
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Ministério da Educação Universidade Federal da Integração Latino-Americana Instituto Latino-Americano de Tecnologia, Infraestrutura e Território Centro Interdisciplinar de Tecnologia e Infraestrutura
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Ministério da Educação Universidade Federal da Integração Latino-Americana Instituto Latino-Americano de Tecnologia, Infraestrutura e Território Centro Interdisciplinar de Tecnologia e Infraestrutura
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Dedico este trabajo a mis padres Paula y Segundino que han entregado su vida trabajando para darme el futuro que tengo.
ARACAYO, L. A. S.^ Modelagem térmica de barragem de contraforte via Ansys: Caso de estudo bloco E6 da Usina Hidrelétrica de Itaipu - UHI
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Universidade Federal da Integração Latino Engenharia Civil de Infraestrutura-Americana
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Este trabalho consiste na avaliação térmica transiente de um bloco de contraforte da barragem da Usina Hidrelétrica de Itaipu (UHI). A influência da temperatura no comportamento estrutural de barragens de concreto é amplamente estudada na literatura, uma vez que a resistência e a estabilidade das estruturas podem ser afetadas por elevados gradientes térmicos, além disso a variação sazonal da temperatura provoca o aparecimento de altas concentrações de tensões em diferentes regiões, o que pode resultar em fissuração no corpo da barragem. Por meio de um estudo de caso ajustam-se as séries de Fourier para os dados de temperatura dos termômetros superficiais do bloco de contraforte que foram empregados como condições de contorno para o modelo térmico. Comparam-se os resultados obtidos por meio da simulação numérica no software Ansys baseada em Métodos dos Elementos Finitos (MEF) com os dados ajustados dos termômetros internos ao bloco em estudo, a fim de obter um Erro Percentual Absoluto Médio (MAPE) aceitável na área da construção civil. Entre os resultados numéricos e os dados ajustados da instrumentação, verificou-se boa precisão do modelo térmico proposto, o que justifica o emprego do MEF como método aproximado para análise térmica transiente.
Palavras chaves: Análise térmica transiente; Barragem de contraforte; Series de Fourier; Termômetros superficiais e internos.
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ARACAYO, L. A. S.^ Modelagem térmica de barragem de contraforte via Ansys: Caso de estudo bloco E6 da Usina Hidrelétrica de Itaipu - UHI
ARACAYO, L. A. S.^ Modelagem térmica de barragem de contraforte via Ansys: Caso de estudo bloco E6 da Usina Hidrelétrica de Itaipu - UHI
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LISTA DE SÍMBOLOS
°C Grau Celsius
K^ Grau Kelvin Massa específica
Universidade Federal da Integração Latino Engenharia Civil de Infraestrutura-Americana
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LISTA DE ABREVIATURA E SIGLAS
UHI Usina Hidrelétrica de Itaipu
CAD Computer Aided Design (Projeto assistido por computador)
CEASB Centro de Estudos Avançados em Segurança de Barragens
FPTI Fundação Parque Tecnológico Itaipu
MEF Método dos Elementos Finitos
SAT Sistema de Arquivos Técnicos
MAPE Mean Absolute Percentage Error (Erro Percentual Absoluto Médio)
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ARACAYO, L. A. S.
Modelagem térmica de barragem de contraforte via Ansys: Caso de estudo bloco E6 da Usina Hidrelétrica de Itaipu - UHI
De acordo com Hickmann (2016) barragens são estruturas hidráulicas construídas no curso de um rio para criar um reservatório para uso de água com diversas finalidades, como: irrigação, abastecimento de água, controle de enchentes, navegação, pesca ou produção de energia hidrelétrica. Para esta última finalidade, as barragens podem ser classificadas em grupos de acordo com o material utilizado na sua construção: barragens de concreto, que podem ser do tipo gravidade, arco e contrafortes e barragens convencionais (de terra ou enrocamento). Na Figura 1.1 observa-se os tipos de barragens mencionadas.
Figura 1.1 - Tipos de barragens de acordo com o material empregado
Fonte: Adaptado (HICKMANN, 2016)
ARACAYO, L. A. S.
Modelagem térmica de barragem de contraforte via Ansys: Caso de estudo bloco E6 da Usina Hidrelétrica de Itaipu - UHI
principal, estrutura de desvio, barragem de terra da margem direita, barragem de enrocamento e barragem de terra da margem esquerda.
O trecho E da barragem da UHI está localizado na margem direita, apoiado em um maciço rochoso e está composta por seis blocos enumerados do E-1 ao E-6.
Figura 1.3 - Vista Panorâmica
Fonte: Adaptado (ITAIPU, 2015)
Neste trabalho desenvolve-se um estudo térmico no “Trecho E” e para modelagem do comportamento térmico é utilizada o bloco “E-6” devido ao fato desse ser o bloco chave do trecho, destacado na Figura 1.4. Em termos técnicos, chamado de bloco chave ao bloco mais instrumentado e estrutura que apresenta características diferenciadas dos outros.
Universidade Federal da Integração Latino-Americana Engenharia Civil de Infraestrutura
Figura 1.4 - Trecho E – UHE ITAIPU
Neste tipo de barragens é comum usar o concreto massa, denominação usada devido ao grande volume de concreto necessário em estruturas de grande porte. Em construção de barragens, medidas de controle no calor gerado na hidratação do cimento e nas mudanças de volume, produzidos pelas dimensões, de modo a diminuir o risco de fissuração devem ser tomadas para reduzir o gradiente térmico do concreto nas primeiras idades (ALBUQUERQUE, 2006); (COELHO, 2012).
Após redução de temperatura das primeiras idades, a temperatura do concreto pode ser alterada pelos efeitos da condução, radiação e convecção, que representam uma parcela na deformação da barragem ao longo do tempo. Entre as várias solicitações que ocorrem na barragem, deformações são provenientes destes fenômenos térmicos (TELES, 1985). Segundo o autor, as propriedades térmicas do concreto, as deformações sazonais nas diferentes estações do ano e a deterioração dos materiais, estão fortemente associadas às variações de temperatura que a estrutura está sujeita.
A correta avaliação do campo de temperaturas em barragens é essencial para a determinação das tensões e deformações de origem térmica. Sob esse aspecto é pertinente empregar um método capaz de aproximar o campo de temperatura, afim de se estimar as deformações na estrutura. Essa abordagem está diretamente ligada a um assunto de grande
