F ORÇAS ATUANTES EM QUEBRA MARES VERTICAIS

As forças atuantes na parede vertical de um quebra-mar podem ser hidrostáticas, que resultam da pressão que a água em repouso exerce sobre a estrutura e hidrodinâmicas, que resultam da variação de velocidade da massa de água associada à agitação marítima.

A distribuição da pressão na parede vertical, ao longo de um ciclo de onda, varia de um valor mínimo quando a cava da onda está em contacto com a parede a um valor máximo, quando a crista da onda atinge a parede vertical.

Este tipo de estruturas está sujeito a mais solicitações como a ação do vento, impacto de navios, sismos ou até tsunamis. No entanto, este tipo de forças atuantes não são do âmbito deste trabalho e por isso não serão aprofundadas.

As forças exercidas pelas ondas em quebra-mares verticais são função das condições da própria agitação marítima, das condições do fundo existente e da geometria da própria estrutura. Os quebra-mares podem estar sujeitos a forças oscilatórias ou impulsivas das ondas, as primeiras caraterizam-se por ocorrerem segundo uma determinada frequência enquanto as segundas são geralmente intensas e de curta duração.

Assim podem distinguir-se três tipos de forças da onda numa parede vertical (CEM, 2006):

1. Forças Provocadas Por Ondas Sem Rebentação (Nonbreaking Waves) (Figura 5.1) – A onda atinge a estrutura sem aprisionar ar entre a massa de água e a parede vertical fazendo com que a pressão na parede tenha uma ligeira variação ou seja, a distribuição de pressões varia em fase com o aumento da cota da superfície livre na parede vertical (Neves et al. 2012). Consequentemente, as forças atuantes neste caso, podem ser tratadas como forças quase estáticas nos cálculos de estabilidade;

Figura 5.1 - Esquema da ação da força provocada por ondas sem rebentação (CEM, 2006).

2. Forças Provocadas Por Ondas Com Frente Quase Vertical (Plunging Waves) (Figura 5.2) – A ondas que rebentam de forma mergulhante desenvolvem uma frente quase vertical momentos antes da crista enrolar. Quando esta frente quase vertical atinge a parede vertical, provoca pressões muito elevadas de curta duração. Só uma pequena quantidade de ar fica aprisionada o que faz com que exista um grande pico da força atuante, seguido de pequenas oscilações;

Figura 5.2 - Esquema da ação da força provocada por ondas com frente quase vertical (Plunging Waves), (CEM, 2006).

3. Forças provocadas por ondas em rebentação (Bagnold type) (Figura 5.3) – Este tipo de onda aprisiona uma grande quantidade de ar entre a massa de água e a estrutura criando uma “bolsa de ar” que produz um duplo pico de força seguido de fortes oscilações. O primeiro pico de força é induzido pelo impacto da crista da onda na estrutura enquanto o segundo pico de força, é consequência da máxima compressão do ar aprisionado entre a estrutura e a onda. Segundo o CEM (2006), esta força é chamada Força do Tipo Bagnold pois foi discutida pela primeira vez por Bagnold em 1939.

Figura 5.3 - Esquema da ação da força provocada por ondas em rebentação (Bagnold Waves), (CEM, 2006).

As forças impulsivas provocadas por ondas com rebentação em estruturas verticais podem ser muito grandes, logo é extremamente importante criar, na fase de dimensionamento, condições para evitar a exposição destas estruturas a este tipo de forças.

Kortenhaus e Oumeraci (1998) estabeleceram um procedimento que permite identificar as ações horizontais a que uma estrutura vertical estará sujeita em função de certos parâmetros, Figura 5.4. Neste procedimento as variáveis necessárias à caraterização da ação a que estará sujeita a estrutura são primeiramente, a altura relativa do talude de forma a escolher o tipo de estrutura e posteriormente, a altura de onda relativa e a largura relativa da berma de forma a obter as solicitações a que está sujeita a estrutura em estudo.

Figura 5.4 – Procedimento estabelecido por Kortenhaus e Oumeraci para identificar as forças atuantes dependendo do tipo de quebra-mar (1998), (Neves et al., 2012).

Em que representa a altura de onda significativa incidente, a altura de onda na rebentação, o comprimento de onda à profundidade , g a aceleração da gravidade, a altura do prisma de fundação, a distância entre e o pé do caixotão e a força horizontal.

FORÇAS DE IMPACTO EM QUEBRA-MARES VERTICAIS

Existem várias medidas a tomar se a estrutura em estudo estiver sujeita a forças impulsivas das ondas, estas medidas podem amenizar as cargas ou solicitações a que a estrutura vertical esteja exposta. No entanto, se as condições de agitação marítima incidente e a topo- hidrografia do local de implantação apresentarem características desfavoráveis à construção de um quebra-mar vertical, é conveniente que se opte por outro tipo de estrutura.

Em primeiro lugar, deve incluir-se no dimensionamento destas estruturas, em especial no cálculo das forças atuantes, o coeficiente da força impulsiva que é utilizado para determinar o nível de perigo da força atuante na estrutura.

Mesmo que forças impulsivas atuem na parede vertical do quebra-mar, a parede responde dinamicamente em conjunto com o talude de fundação e do fundo onde o quebra-mar está instalado o que faz com que exista uma diminuição da força de atrito que pode causar deslizamento. Assim, se possível, o quebra-mar deve ser instalado sobre um fundo pouco inclinado de modo a não aumentar demasiado a declividade da onda e criar pressões maiores na parede vertical.

O prisma de fundação do caixotão deve ser dimensionado de modo a que a sua largura e altura sejam otimizadas e que a altura da água em frente ao caixotão d seja superior a 0,6h (h – profundidade em frente ao quebra-mar) (Takahashi, 2002).

No dimensionamento destas estruturas o ângulo de incidência da agitação marítima é um parâmetro com efeito direto nas forças atuantes horizontais. Se um quebra-mar estiver exposto a ondas com incidência normal ao seu alinhamento é expectável que esteja sujeito a forças de impacto com maior intensidade. Assim, quanto maior o ângulo entre a direção da onda e uma linha perpendicular ao alinhamento do quebra-mar menor será a probabilidade de estar sujeito a forças impulsivas.

Outras soluções estruturais são uma boa medida contra as forças impulsivas. Por exemplo, quebra-mar misto horizontal com blocos de proteção para a dissipação da energia incidente. Os quebra-mares verticais perfurados, nestes casos, são também uma boa alternativa visto dissiparem a energia incidente através de uma câmara de ondas e assim reduz-se significativamente as forças impulsivas na parede vertical.