ANÁLISE DE MODO DE FALHA POTENCIAL

1. Dave Paul, P.E. Chefe, Engenharia Civil US Army Corps of Engineers Centro de Gerenciamento de Riscos David.B.Paul@usace.army.mil OficinasobreSegurança de Barragens Brasília, Brasil 20-24 maio 2013 ANÁLISE DE MODO DE FALHA POTENCIAL

2. Boas PráticasnaAnálise de Risco de Segurança de Barragens Dave Paul, P.E. Chefe, Engenharia Civil US Army Corps of Engineers Centro de Gerenciamento de Riscos Análise de Modo de FalhaPotencial

3. Origens • O “Bureau of Reclamation” realizouestudosdeterminísticosiniciaisparatodas as suasbarragens. Nova maneira de cuidar das barragens a longoprazo. • Equipesanteriorestentaramelaborar “requisitosmínimos de instrumentação” mas nãohouveconsensosobreosmesmos. • Foicriadaumaequipeparaelaborar um processoquetratasse dos problemas de monitoramento a longoprazo. • O resultadofoi o desenvolviemto do processo “Análises de Modode FalhaProvável (PFMA)

4. ExaminandoRompimentosHistóricos e suascausas • A legislaçãopós- BarragemTetonsobresegurança de barragensrespondeu a mudanças no estado da arte, cargassísmicas e cheias. Estes doisúltimosfatorespuderamseranalisados, mas o estado-da-art era maisdifícildefinir. • A Barragem Teton rompeuporerosãointerna, mas essemodo de falhanãofoiexplicitado. • No entanto, os dados indicamque a maioria das rupturasemgrandesbarragens (no oeste dos EUA) foicausadaporerosãointerna. • Análisesbaseadasemnormasnãofornecem um quadrocompleto da segurança de barragens.

5. Percentualde rupturasporTipo de rupturaemBarragens de Terra nos EUA

6. Definições • Risco = probabilidade de consequênciasadversas • P(carga) x P(falha) cargadeterminada x Consequênciasfalhadeterminada • Análise de Risco = cálculoquantitativoouavaliaçãoqualitativa do risco • Avaliação de Risco= processo de decisãoquanto à necessidade de açõesparareduzir o risco

7. Análise de risco da segurança de barragens: Novidade? “Não se pode perder de vista a possibilidade de ruptura. Resumindo, concretamente, a meu juízo as chances de ruptura, com as cotas variáveis da água, serão substancialmente assim: Em caso de ruptura, mesmo sem perda de vida, a perda em termos de tempo, patrimônio, dinheiro e prestígio seria várias vezes maior do que o custo de uma estrutura inteiramente nova." ThaddeusMerriman, Nova Iorque, 21 de fevereiro de 1912 PROBABILIDADE

8. PorQueAnálise de Risco? • Após a ruptura da Barragem Teton em 1976, o US Bureau of Reclamationfoiincumbido de elaborarumametodologia de análise de riscoparabarragens (o risco é citadonalegislaçãosobresegurança de barragens). • O USACE reconheceu a necessidade de implementar a análise de riscodepois da ruptura dos diquesem New Orleans durante o Furacão Katrina. • É precisomelhorar e equilibrarganhosnaredução de risco com orçamentolimitado (ex., reformarpoucasbarragensparapassarpela PMF (cheiamaisprovável), vs. usarfundosdisponíveisparareduzirriscoemváriasbarragens). • Era desejávelmaiortransparência e justificativasemdecisõessobre a segurança de barragens e diques.

9. PrincípiosBásicos • Mesmosendoquantitativos, osprocedimentos de análise de risconãoproduzemresultadosnuméricos. Porisso, a avaliação de riscopossuinaturezaconsultiva, nãoprescritiva. Consideraçõesespecíficassobre a obra, o bomsenso e todososfatoresexternosdevemseraplicadosnasdecisões, emvez do critérionumérico de um “receituário”. • As cifras, mesmoimportantes, sãomenosimportantes do quecompreender e documentarclaramenteosfatoresquemaiscontribuemaorisco, e o porquê.

10. Componentes • Avaliações do riscosísmico e hidrológico • Análise e triagem de modos de falha • Árvores de eventos e curvas de resposta do sistema • Análise e modelosprobabilísticos • Probabilidadesubjetivae Interpretação de Peritos • Avaliação de consequências • O restante do cursofocaránestespontos e suaaplicação a modos de falhapotenciaisespecíficos, assimcomo a comunicação de resultados.

11. ExemploparaIlustrar o Processo Análise MCE Vermelho: tensão de traçãoexcedem a resistência

12. Descrição do Modo de Falha • Semrevisão (detalhesinsuficientes): ruptura de barragem de concretodurante um terremoto • Revisão: (1) Como resultado de um forte terremoto, a terra treme durante um período de cota alta do reservatório; (2) inicia-se a fissuração no ponto de mudança na inclinação a jusante da barragem de gravidade em concreto, aproximadamente na cota 1.071m. Devido ao "balanço" cíclico da estrutura, a barragem trinca completamente através de monólitos em cada lado do vertedouro. Começa a escorregar com a agitação, talvez causando um deslocamento, que é suficiente para dilatar o plano de deslizamento e compensar e cisalhar os drenos formados. Isto leva potencialmente à maior subpressão da seção fissurada e a uma instabilidade pós-sismo. (3) A barragem se rompe pelo repentino escorregamento de vários monólitos até a cota 1.071m.

13. Árvore de Eventos Podeusarcurvas de resposta do sistemaparadefinirnós de respostacondicional Instabilide Pós-Terremoto DeslizamentoPerturbaDrenagem Faixas de CargaSísmica Fissura Total de Seção Faixas de Carga do Reservatório Instabilide Pós-Terremoto Faixa de cargamenor é limiar

14. Curvas de Excedência do Reservatório % do tempo que o reservatório passa acima de uma determinada cota 0.68 – 0.55 = 0.13 Elevação do Reservatório (pés) 3000 pés =914m 10 pés = 3m

15. Faixas de Carga • Para se obterumamédia da probabilidade de faixa de carga, subtrair a probabilidade da cargamenor da probabilidade da maior. 0.20g P = 0.0003 P = 0.000255 0.40g P = 0.000045

16. Probabilidade de Fissuramento Vertedouro Série de análises, usandomovimentosrepresentativos do solo paracadafaixa de movimentodo solo. À jusante

17. Probabilidade de Fissuramento • FatoresAdversos • Tensão de tração no barramento a montante excede a força da tração dinâmica estimada para faixas de carga de 5-6. • As fissuraspodem se propagarmaisrapidamente do queumaanálisenão-linear podeexplicar. • FatoresFavoráveis • Tensãode tração no barramento amontante é menor que a força da tração dinâmica estimada para faixas de carga de 2-4. • A amostragem com testemunho mostra boa ligação nas juntas de construção horizontal. • A análisenão linear mostraqueapenas um monólitosofreriaumafissuraabertanafaixa de carga 6.

18. DescritoresVerbais *Usar com juízo – a pesquisa de Reagan mostraque as pessoasnãocalibrambemabaixo de 0,01.

19. Probabilidade de DeslocarDrenos / AumentarSubpressão Nódulo nº Deslocamento M/J (polegadas) 1 polegada = 2.54 cm 10 polegadas = 25.4cm M/J = montante/jusante Tempo (seg.)

20. Probabilidade de deslocamento/AumentarSubpressão • FatoresAdversos • A análisenão-linear mostroudeslocamentosmaioresque o diâmetro do drenonafaixa 6 de cargasísmica. • A dilatação no plano de deslizamentopoderiaaumentar a subpressãosemdeslocarosdrenos. • FatoresFavoráveis • A análisenão-linear mostroudeslocamentosmenoresque 1,27cm do diâmetrodo drenonasfaixas 2-5 de cargasísmica. • A análisenão-linear presumiuumafissurana junta de construção horizontal no início do terremoto, mas elaficouunida. • O modelonão linear nãoinclui as áreasaoredor do aterro, quereduziria o escorregamentonaspontas, causandorotação e ligaçãonas juntas de contração.

21. Probabilidade de Instabilidade Pós-SismoMetodologia da Análise de Estabilidade Probabilística • Programar análise “determinística” no Microsoft Excel • Usar @Risk – um macro “add-in” disponível no comércio • Em vez de definir parâmetros de saída como valores únicos, defini-los como distribuições • Fazer análise “Monte-Carlo” com @Risk, para calcular muitos Fatores de Segurança, pela amostragem da distribuição de entradas. • Usar a distribuição de saída dos fatores de segurança (F.S.) para determinar a probabilidade de um desempenho insuficiente (ou seja, probabilidade de F.S.<1,0) • Prob. F.S.<1.0 = (Nº de F.S.<1.0) / (Total Nº F.S.)

22. Fator de seguança de saída(10.000 iterações) Prob. F.S. < 1.0 = 228/10,000 = 0.0228

23. Consequências Compreensão da Severidade da Cheia Severidade da Cheia Tempo de Aviso (minutos) Alta Média Baixa Taxas de mortalidade recomendadas para estimar a perda de vidas em função do rompimento de uma barragem

24. Consequências

25. DiretrizessobreRiscos Probabilidade Anual de rompimento Deslizamento Sísmico da Junta de Construção Potencial de Mortes

26. Fortalecer o Argumento • Afirmação: • As juntas de construçãopróximas à crista do vertedourotêm boa aderência. Porisso é baixa (0,1 oumenos) a probabilidade de fissuraçãonessaseção, com movimentos de solo de 1/10.000 AEP (Probabilidade Anual de Excedência)oumenos. • Provas: • Todas as juntas de construçãopróximas à altura do vertedouroforamrecuperadasintactasnaperfuração do núcleo. • Muitos testes indicaramaltaforça de tração entre as juntas (informarosvalores) • Osprocedimentos de controle da construçãoforamexcelentes (descrever) • As tensõessãomenores do que a forçaestimada (detalhar)

27. Conceitos-Chave • Documentartodososantecedentesrelevantes • Avaliartudo de novo (dinâmica de grupo) • Revisarcuidadosamenteessadocumentação (mais do que um engenheirohabilitado) • Fazerinspeção do local, procurandopotenciaisvulnerabilidades • Envolver o pessoal de operaçõesnasdiscussõessobrepotenciaismodos de falha • Pensaralém das análisestradicionais

28. Identificar • Trabalharemequipe com um grupodiverso de profissionaishabilitados. • O Facilitador (ouengenheirosênior) extrai dos participantesosmodos de falhaspotenciais com base nasuacompreensão das vulnerabilidades. • O Facilitador (ouengenheirosênior) certifica de quecadamodo de falhapotencial é entendida e descritacuidadosamente. • Exporgrandesdesenhos/seçõesemescala e esboçarosmodos de falha (conformepossível).

29. Descrever • Trêselementos da descrição de um modo de falhapotencial: • Iniciador (por ex., carga do reservatório, degradação/idade, erro de operador, sismo) • Mecanismo da Falha (inclusive localização e/oucaminho) (passo-a-passo dos eventos) • ImpactoResultantesobre a Estrutura (por ex. velocidade da falha, características da ruptura)

30. Exemplo Estudogeológicoindicaque a barragem tem comofundaçãoveioshorizontais de xisto e argila. Pesquisasindicamque a barragem se deslocouvárioscentímetrosdurante o monitoramento

31. Exemplo (cont.) • SemRevisão (detalhesinsuficientes):deslizamento da fundação de umabarragem de concreto • Revisão:Devido aos altos níveis do reservatório e (1) um contínuo aumento na subpressão sobre o velho plano de escorregamento da camada de xisto, ou (2) uma queda da resistência ao cisalhamento causada por deslizamento gradual sobre o plano de escorregamento, começam a escorregar os contrafortes. Um grande movimento diferencial entre dois contrafortes faz as lajes do tabuleiro saírem de sua simples condição de assentados sobre os modilhões. A ruptura da barragem de concreto através de dois vãos é seguida pela falha de contrafortes adjacentes, devido à carga lateral da água.

32. Revisar as ConsequênciasdeFalhas • Uma ruptura da barragem por esse mecanismo colocaria em risco uma estrada, uma ferrovia, duas pontes, casas rurais, um posto de gasolina, uma usina de agregados, um moinho de cevada, uma linha de transmissão e a cidade de Ledger. Há pouca atividade recreativa a jusante da barragem. O total da população em risco se estima em 1.400. • O aterro é construído de solo siltoso com baixo IP (índice de permeabilidade) e o aluvião é principalmente arenoso, sem coesão. Uma ruptura rápida por erosão provavelmente alcançaria a rocha viva. • (Não exclua, porém, um modo de falha potencial com poucas consequências, caso haja alta probabilidade de ocorrerência.)

33. Análise Para cadamodo de falhapotencial: • Relacionarfatoresadversosou “maisprováveis” • Relacionarfatoresfavoráveisou “menosprováveis” • Detalhá-los paraquesejamentendidospor outros, inclusive daqui a váriosanos (pergunte “Porquedissemosisso?” e anotar a resposta). • Avaliar o riscopotencial – sugerimos a abordagem semi-quantitativadescritanapróximaseção.

34. FatoresAdversos “MaisProváveis” • O cascalho de aluvião, em contato com o núcleo do aterro no lado a jusante da trincheira corta-águas, é semelhante às zonas de transição que não atendem novos critérios de exclusão, os quais não admitem erosão alguma do núcleo do solo de base. • O cascalho do aluvião pode ser internamente instável, levando à erosão da fração fina por meio da fração grossa e a uma compatibilidade ainda pior do filtro com o núcleo. • O reservatório nunca foi enchido até o nível de máxima cheia; só chegou a 9 metros desse nível. A maioria das falhas em barragens ocorrem com níveis elevados do reservatório. Seriam necessários de 50 a 100 anos de aportes para o reservatório encher (com base nas curvas de probabilidade de excedênciado reservatório a partir de sua operação histórica). • O núcleo pode sustentar um telhado ou um tubo. O material estava bem compactado (100% do máximo medido em laboratório), e contém alguma plasticidade (índice médio de plasticidade ~ 11). • É provávelhaver um gradientesignificativo de percolaçãodo núcleopara a fundação de cascalhoa jusante, comofoiregistradopelospiezômetroshidráulicosinstaladosdurante a construção original (e depoisabandonados). • É provávelquetodo o fluxoatravés da fundaçãonãopossaserobservadodevido à espessura e à permeabilidade (transmissividade) do aluvião.

35. FatoresFavoráveisou“MenosProváveis” • Observa-se muito pouca percolação a jusante; o açude no pé a jusante da barragem, que regista cerca de 10 galões/min. no reservatório elevado, quando não há precipitação anterior, indica que o núcleo é relativamente impermeável. Estas taxas de fluxo podem ser muito pequenas para iniciar a erosão. • O material do núcleo é bemcompactado (até 100% do máximo de laboratório) e apresentaalgumaplasticidade(índicemédio de plasticidade ~ 11). Osdoisfatoresreduzemsuasuscetibilidade à erosão. • Nãoficaramdegraus no perfil de escavaçãoquepudessemcausarfissuras, e osencontrosforamescavadosparadiminuir as inclinações de talude com menos de 2H:1V. • Se começa a erosão do núcleo, o cascalho do aluviãopodeagircomotampão antes de umarupturacompleta(veroscritériospara “algumaerosão” ou “erosãoexcessiva”, Foster e Fell, 2001).

36. Triagem • Pode ser isolado o risco potencial para cada modo potencial de falha neste ponto, usando a abordagem semi-quantitativa descrita na próxima seção.

37. ConsideraçõessobreModos de FalhasPotenciais • A redução da capacidade do vertedouro (detritos, mal funcionamento de comporta, fluxo de descarga sob as comportas, tampão-fusívelnão se decompõe, etc.) leva à erosãoporgalgamento. • Máoperaçãodevido a falha da instrumentação. • Pressão de estagnaçãooufalhaporcavitaçãonascalhasounosrevestimentos do vertedouro. • Galgamento das paredes do vertedourocausaerosão. • Falha das grandes comportas do vertedouro liberam fluxos com perigo mortal (abertura indesejada por problema de comunicação ou por abertura de comporta de setor, empenamento de braços das comportas de segmento [força sísmica ou fricção]).

38. ConsideraçõessobreModosde FalhasPotenciais(cont.) • Erosão de material de aluvião abaixo de barragens de concreto. • Erosão interna de aterros: • Por caminhos vulneráveis inclusive junto a ou dentro de condutos ou paredes e para dentro de drenos. • Mediante falhas causadas por assentamento diferencial, arqueamento, construção mal feita, etc. • Entrando em defeitos geológicos como juntas abertas ou cascalho grosso. • Da camada de baixa permeabilidade na fundação do aterro, possivelmente causando elevação ou “sangria”.

39. ConsideraçõessobreModosde FalhasPotenciais(cont.) • Deformação diferencial leva a tensões superiores à capacidade da estrutura. • Deslizamento em camadas fracas em barragens de contraforte. • Obstrução de drenos, ou carga sem precedentes do reservatório, que pode levar a: • Deslizamento por descontinuidades fracas na fundação de barragens de concreto; • Deslizamento por juntas de construção mal unidas em barragens de gravidade de concreto.

40. ConsideraçõessobreModosde FalhasPotenciais(cont.) • Falha sísmica de pilares de vertedouros e perda de comportas. • Falha sísmica da parede do vertedouro e erosão do aterro. • Liquefação sísmica, deformação excede a borda livre ou erosão por percolação através de fissuras. • Fissura sísmica / deslizamento de barragens de gravidade de concreto ou de contraforte. • Fissura sísmica / deslocamento de barragens de concreto em arco. • Falha sísmica dos contrafortes da barragem devido a cargas no sentido transversal ao cânion.

41. MEDIDAS INTERINAS PARA A REDUÇÃO DE RISCOMIPRR Dave Paul, P.E. Lead Civil Engineer Risk Management Center Com agradecimentos a: Jacob Davis, P.E., Geotechnical Engineer w/ RMC Jeff McClenathan, P.E., Senior H&H with RMC

42. Fonte USACE Segurança de Barragens – Políticas e Procedimentos 1º de novembro de 2010

43. Definição de Risco Risco = (Probabilidade de Carga)(Probabilidade de Falha|Carga)(Consequências da ruptura)

44. Objetivo das MIPRR • As MIPRR são uma abordagem de curto prazo para reduzir os riscos na Segurança de Barragens, enquanto são adotadas soluções de longo prazo. • As MIPRR devem reduzir, na medida do razoável, a probabilidade de falha e das consequências associadas. • AlgumasMIPRR podem durar mais do que outras, de acordo com a fila da priorização nacional de riscos.

45. Princípios das MIPRR • “… não se trata de umatrocaou de equilibrar a segurança do público com outros benefícios do projeto. Emvez disso, é depois de cumprir as diretrizessobre o riscotolerável à segurançaque outros objetivos e finalidades do projetoserãoconsiderados. OsOficiais de Segurança de Barragemsãoosconselheiros e defensoresdesignadosparadecisõessobre a segurança da vida.”

46. Princípiosdas MIPRR • As decisões são informadas pelo risco, e não baseadas no risco. • As decisões informadas pelo risco integram as análises e juízos tradicionais da engenharia. • A responsabilidade pela segurança do público exige que o USACE garanta a segurança adequada de nossos projetos contra falhas catastróficas que causem a liberação descontrolada da água do reservatório.

47. Princípiosdas MIPRR • Oportunidade – A medida será implementada oportunamente para reduzir o risco? • Custo – O custo da medida cabe no orçamento de O&M para grandes obras de manutenção, de acordo com o orçamentário atual? • Sem risco novo – A medida aumenta o risco total da barragem para o público a jusante?

48. Princípiosdas MIPRR • Não causar danos: O princípio “não causar danos” deve fundamentar toda ação para reduzir o risco para a segurança de barragens. Aplicar este princípio garante que a implementação em questão das MIPRR não comprometa a segurança da barragem em qualquer momento ou durante sua implementação.

49. EM PRIMEIRO LUGAR –“NÃO CAUSAR DANOS” Aomodificarumabarragemexistente:

50. Planos de MIPRR • As diretrizes de segurança da vida a longo prazo devem ser atendidas por MIPRR onde estiverem disponíveis medidas não estruturais e estruturais adequadas. • O Capítulo 7 oferece orientação para riscos que exigem a execução mais rápida de MIPRR. • O Capítulo 7 oferece sugestões para avaliar MIPRRs propostas para execução.