Estudo da ocorrência de danos em superfícies de concreto através do fenômeno da cavitação

Abstract

A problemática que envolve os efeitos causados pelo fenômeno da cavitação em estruturas hidráulicas vai muito além das condições críticas de operação e do risco previsto à integridade desses dispositivos de segurança através das vazões máximas de projeto. Alterações superficiais e danos de maior magnitude nos revestimentos de concreto de vertedouros e bacias de dissipação, onde a generalização do fenômeno torna-se mais complexa, tanto as características hidrodinâmicas do escoamento quanto os parâmetros considerados na tecnologia do concreto tornam-se fatores preponderantes para a compreensão do fenômeno cavitação. Desta forma, a presente pesquisa visa identificar a interação entre o concreto e o escoamento cavitante, por meio da análise dos danos apresentados em diferentes traços de concreto e distintas demandas relativas de ar (β). Os ensaios foram realizados expondo blocos de concreto de relação a/c de 0,35; 0,45; 0,50 e 0,65 ao fenômeno da cavitação através de um dispositivo tipo Venturi (V  30,0 m/s), localizado na instalação experimental do Laboratório de Obras Hidráulicas (LOH/UFRGS). Além da análise dos danos causados as superfícies dos corpos de prova de diferentes composições, após ação do fenômeno, também foram verificadas as pressões médias e os índices de cavitação apresentados pelo escoamento durante a operação do dispositivo de cavitação. Em seguimento a esta pesquisa, foram analisadas as acelerações impostas a instalação experimental pelo impacto da implosão das cavidades de vapor no interior da máquina de cavitação do LOH/UFRGS. Os resultados obtidos foram comparados aos dados extraídos na máquina de cavitação do United of States of Bureau of Reclamation (USBR) em Denver no Colorado, e com as informações disponíveis em literatura sobre o tema. Os critérios técnicos desenvolvidos serviram de ferramenta para o controle e análise da ocorrência do fenômeno da cavitação em estruturas hidráulicas, tais como vertedouros e bacias de dissipação. Este trabalho compõe parte do Projeto de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) intitulado: “Estudo de Concreto para Superfícies Hidráulicas”, financiado por Foz do Chapecó Energia com participação de Furnas Centrais Elétricas, do Laboratory of Hydraulic and of Concrete do United States of Bureau of Reclamation (USBR), da Desek Consultoria em Engenharia Civil e da Universidade Federal do Rio Grande (UFRGS) através do Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH) e do LOH.

The problem involving the effects caused by cavitation in hydraulic structures goes far beyond the critical operating conditions and the predicted risk to the integrity of these safety devices through maximum design flow rates. Surface changes and damages of greater magnitude in the concrete linings of spillways and dissipation basins, where the generation of characteristics becomes more complex, both the hydrodynamic characteristics of the flow and the parameters foreseen in concrete technology become preponderant factors for the understanding cavitation. In this way, the present research aims to identify the interaction between concrete and cavitating flow, through the damage presented in different concrete analysis trait and specific demands related to air (β). The tests were carried out exposing concrete blocks with a w/c ratio of 0,35/ 0,45; 0,50 and 0,65 when presenting cavitation through a Venturi-type device (V= 30,0 m/s), located in the experimental installation of the Laboratório de Obras Hidráulicas (LOH/UFRGS). In addition to analyzing the damage caused to the surfaces of test specimens of different compositions, after specific action, the average pressures and cavitation indices presented by the flow during the operation of the cavitation device were also verified. Following this research, the accelerations imposed on the experimental installation by the impact of the implosion of the steam chimneys inside the LOH/UFRGS cavitation machine were proven. The results obtained were compared to data extracted from the cavitation machine at the United of States of Bureau of Reclamation (USBR) in Denver, Colorado, and with information available in the literature on the subject. The technical criteria developed served as a tool for controlling and analyzing the occurrence of cavitation characteristics in hydraulic structures, such as spillways and dissipation basins. This work is part of the Research and Development (R&D) Project entitled: “Concrete Study for Hydraulic Surfaces”, financed by Foz do Chapecó Energia with the participation of Furnas Centrais Elétricas, the Hydraulic and Concrete Laboratory of the USBR, from Desek Consultoria em Engenharia Civil and Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS) through the Hydraulic Research Institute (IPH) and LOH.