Cenário atual da modelagem física no ambiente costeiro

Para condução de estudos de engenharia em ambientes físicos complexos, como as zonas estuarinas, existem diferentes tipos de abordagens que podem ser aplicadas. Hughes (2005) aponta três técnicas básicas para tal fim:

 Levantamentos de campo;  Ferramentas matemáticas;

 Medidas e observações de laboratório.

Levantamentos de campo são aqueles em que a investigação do fenômeno é feita no ambiente real. Embora se constitua na técnica ideal para avaliação de uma grandeza física, uma vez que esta é medida de modo direto no local de interesse, sua aplicação é limitada. Isto porque para a maior parte dos estudos de obras de engenharia em ambientes costeiros, quer por razão de custos, segurança ou prazo, não é possível avaliar diretamente em campo todas as grandezas físicas necessárias para cada uma das alternativas a serem estudadas.

Por exemplo, num estudo de implantação portuária em ambiente costeiro, por questões de custos, não é possível realizar investigações em ambiente real de diferentes arranjos para otimização da localização dos terminais de atracação. O mesmo poderia ser dito em relação a testes de manobras com navios em escala real, não somente pela questão econômica, mas principalmente por razões de segurança. Além disso, a quantidade de variáveis envolvidas na natureza e sua periodicidade dificultariam, ou praticamente impossibilitariam, a investigação de todas as condições ambientais a que estariam submetidas obras implantadas em ambientes costeiros ao longo de sua vida útil.

Portanto, geralmente os levantamentos de campo restringem-se a medições de grandezas básicas no ambiente real, como velocidades de corrente, níveis d’água, velocidade do vento, ondas, transporte sólido, conformações de fundo, entre outras, durante períodos representativos e cobrindo a área de interesse. Os produtos destes levantamentos servem de informação ou dados de entrada para outras técnicas de investigação, como as ferramentas matemáticas ou a modelagem física. Nestas condições é fácil de entender porque a qualidade dos resultados obtidos nestas últimas técnicas está diretamente relacionada a levantamentos de campo adequados.

Por conta das dificuldades com as pesquisas diretas em ambiente real, engenheiros sempre procuraram ao longo da história técnicas alternativas para tentar reproduzir os fenômenos físicos e, consequentemente, avaliar as melhores alternativas para implantação das obras. Neste âmbito, as equações matemáticas sempre encontraram destaque.

As dificuldades com o uso das ferramentas matemáticas, especialmente em ambiente complexos, como os costeiros, ficam por conta da infinidade de variáveis que afetam os fenômenos físicos, e da incapacidade das equações de representarem completamente a influência de cada um destes parâmetros. Além disso, grande parte das equações diferenciais que representam estes fenômenos não tem solução analítica, o que conduz à necessidade de aplicação de soluções numéricas.

Com os avanços na tecnologia dos computadores, as soluções numéricas de equações diferenciais complexas passaram a se tornar viáveis e, este tipo de abordagem cada vez mais vantajoso. Entretanto, ainda hoje, Hughes (2005), afirma que a modelagem matemática está longe de resolver completamente problemas como: características não lineares das equações de movimento, informações na zona de quebra das ondas, fenômenos turbulentos, interação do escoamento com o fundo, interações do escoamento com corpos flutuantes e submersos, conexões de múltiplos canais, entre outras. Em resumo, problemas fundamentais em ambientes costeiros.

Assim, a análise de ambientes de alta complexidade pode ser feita utilizando- se técnicas de laboratório, como a modelagem física. Em Engenharia Hidráulica, os modelos físicos em escala reduzida têm uma enorme gama de aplicações, e têm sido usados ao longo de muitos anos com bastante sucesso na avaliação de obras e de suas interferências sobre o meio.

Os modelos físicos reduzidos têm a vantagem de serem pequenos em relação às dimensões reais, o que permite a custos bem mais baixos reproduzir diferentes cenários e alternativas de intervenção para estudos investigativos de engenharia. Além disso, nos modelos reduzidos é possível controlar e variar sistematicamente as condições de contorno, como correntes, ventos e ondas, observando-se e medindo-se as principais variáveis de interesse, como velocidades, níveis d’água, esforços, entre outras, de uma maneira muito mais simples e rápida. Cenários catastróficos de eventos com probabilidade de ocorrência raríssimos, muitas vezes nem observados em campo, podem também ser simulados para avaliação de impactos. Diferentes arranjos de obras podem ser facilmente montados e desmontados, permitindo-se assim otimizar as soluções de engenharia.

Hughes (2005) destaca que o avanço dos computadores, e consequentemente das soluções numéricas, não tornou os modelos físicos obsoletos, mas abriu espaço para o progresso em conjunto das duas ferramentas. Este tipo de abordagem foi batizado como modelagem híbrida, e significa o desenvolvimento de estudos com a utilização conjunta das ferramentas de

modelagem física e computacional, aproveitando-se o melhor de cada uma delas, de acordo com suas aptidões. Na modelagem híbrida, os modelos físicos podem ser usados para fornecer dados de entrada ao modelo computacional, em regiões complexas, para diversos cenários previstos. O contrário também é possível, ou seja, estudos onde o modelo computacional é responsável por diversos dados de entrada para calibração do modelo físico. O mesmo autor relata que, atualmente, os modelos físicos marítimos que reproduzem grandes áreas costeiras ou estuarinas estão ficando cada vez mais raros. Isto porque, em função das grandes dimensões, há dificuldades no processo de calibração e operação do modelo físico, além do custo relativamente alto que o torna menos competitivo em relação a outras ferramentas. O autor comenta que a tendência atual é a utilização de modelagem híbrida, aproveitando os resultados de simulações numéricas da área global do estudo como dados de entrada, ou condições de contorno, para modelos físicos de menores dimensões. Nesta nova tendência, os estudos em modelo físico reproduziriam áreas menores e ficariam restritos ao uso em áreas de escoamento mais complexo ou nas proximidades das estruturas portuárias, onde a modelagem numérica ainda tem problemas para representação adequada das condições de escoamento.

Entretanto, destaca-se que, em função da importância da investigação de manobras em áreas portuárias, os modelos físicos tridimensionais de grandes dimensões ainda encontram seu espaço de aplicação. E, embora a construção de um grande modelo somente para esta aplicação possa ser difícil de justificar considerando-se os recursos financeiros cada vez mais escassos destinados aos projetos no Brasil, deve-se lembrar que os modelos físicos têm aplicações múltiplas e podem subsidiar os estudos portuários de diferentes maneiras, como ilustrado no item 2.4.

Vale também destacar que atualmente as técnicas para construção de modelos físicos têm avançado bastante, o que resultou em consideráveis reduções de custos para implantação. Estas técnicas também possibilitam modelagens de cenários com muita rapidez, o que torna os estudos de alternativas muito mais

rápidos e competitivos, justificando plenamente os custos de manutenção do modelo físico.

Além disso, as ferramentas computacionais ainda estão longe de representar completamente as condições de escoamento e as suas influências sobre o movimento do navio, reforçando a importância da utilização da modelagem física para subsidiar os projetos. Este é um ponto importante para o presente trabalho, uma vez que a abordagem proposta nos capítulos seguintes para estudos de verificação de condições de manobras em ambientes portuários, vai propor a aplicação de modelagem física.

Portanto, o estágio atual dos estudos de engenharia no ambiente portuário costeiro deve considerar a aplicação simultânea das três técnicas supracitadas. Ou seja, levantamentos de campo das principais grandezas hidráulicas intervenientes, em quantidade e qualidade suficientes para garantir a confiabilidade dos modelos propostos, e a utilização da modelagem híbrida (física e computacional) para obter a representação da realidade da forma mais fiel possível, considerando-se o atual estágio de conhecimento técnico disponível.