Geodecisão – Solução tecnológica para o monitoramento
geotécnico
Estudo de caso: Pilhas de minério sobre solos moles
Losier L. M.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, lmartinl@coc.ufrj.br Almeida M.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, almeida@coc.ufrj.br Dors C.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, dors@coc.ufrj.br Garchet P.M.
Geovoxel Consultoria em Engenharia Ltda, Rio de Janeiro, Brasil, paulo@geovoxel.com.br Fagundes D.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, dffagundes@gmail.com Roza F.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, fcroza@gmail.com
RESUMO: O objetivo deste trabalho é descrever uma solução tecnológica desenvolvida para realizar o monitoramento geotécnico de um pátio de minério executado sobre solos moles. Sendo parte de uma obra de engenharia complexa, este pátio exige um controle geotécnico amplo e detalhado nas fases de construção e operação para garantir a integridade e operacionalidade dos equipamentos e estruturas adjacentes. Através de estudos técnicos foi indicada a necessidade de mais de 250 instrumentos geotécnicos para o monitoramento, criando um grande desafio para a realização de análises e controle das informações frente ao grande universo de dados gerados. Com o intuito de resolver este problema foi concebida uma solução tecnológica para a automação do monitoramento, via internet, capaz de integrar diversos instrumentos, adquirir e processar seus dados, gerar alertas para não conformidades e apresentar as informações geoprocessadas em formato digital, privilegiando a descentralização da decisão e interatividade entre as empresas envolvidas. Esta nova solução mostrou-se amplamente eficiente no decorrer do empreendimento por permitir a integração dos colaboradores técnicos, relevantes ao processo de gestão, mantendo em um único ambiente todas as informações do projeto. Além disto, a solução permitiu a tomada de decisão de forma estruturada e segura, gerenciando o risco geotécnico envolvido.
PALAVRAS-CHAVE: solos moles, monitoramento geotécnico, geodecisão, webgis, sistema de alerta.
1 INTRODUÇÃO
Obras de engenharia em geral costumam exigir um controle mais rigoroso dos aspectos de segurança, por envolverem ambientes e variáveis complexas, cronograma rígido, a
integração de complexo universo de informações e a colaboração entre diversas empresas no emprendimento, entre outras coisas. Isto naturalmente torna viável a utilização de mecanismos de análise espaço-temporal e monitoramento avançados para
garantir padrões adequados de segurança, minimizando os riscos de acidentes ou de problemas o que, por conseqüência, permite reduzir os custos significativamente.
Neste contexto, o desenvolvimento de novas tecnologias de informação, incluindo os Sistemas de Informação Geográfica (SIG), torna-se imprescindível para auxiliar no controle e gerenciamento do conjunto de dados gerados durante a execução do empreendimento. Particularmente, no caso de monitorações geotécnicas, estes sistemas permitem visão de conjunto auxiliando na interpretação das informações provenientes de instrumentações e medições de campo de forma estruturada e precisa.
O SIG é definido como um poderoso conjunto de ferramentas para coletar, armazenar, gerenciar, processar, analisar e disseminar dados geográficos para o mundo real (Burrough, 1986). A estruturação e a uniformização dos dados espaço-temporais de maneira adequada em um banco de dados favorece o rendimento em sua análise. Desta forma, assinalando um objeto pode-se saber o valor dos seus atributos, e inversamente, selecionando um registro da base de dados é possível saber a sua localização e apontá-la num mapa. O WebGIS (SIG na rede internet) possibilita o acesso fácil e rápido à consulta de dados espaço-temporais de qualquer lugar que tenha acesso a rede.
Vale observar que estas novas tecnologias já estão sendo utilizadas em outras áreas do conhecimento, fornecendo excelentes resultados. Em Geotecnia, as mesmas podem ser aplicadas, por exemplo para auxiliar no monitoramento de encostas (Simeoni et al. (2011), Gabriele et al. (2009), Lan et al. (2009), Widger et al. (2006), e Suwanwiwattana et al. (2001)); para a caracterização do subsolo (Choi et al. (2009), Kunapo et al. (2005) e Turner et al. (2004), entre outros), facilitando a interpretação e fornecendo suporte a tomada de decisão para o especialista geotécnico.
Gabriele et al. (2009) demonstrou a utilidade de um Webgis para alertas e tomada de decisão, integrando dados de instrumentos geotécnicos instalados em encostas do entorno da cidade de San Martino di Finita, na Itália. Esse protótipo
revelou-se uma ferramenta poderosa, podendo ser instalado em qualquer lugar e utilizado para apoiar o processo decisório dos administradores locais, a fim de gerir os riscos e proteger a população.
O presente trabalho está relacionado à construção do Porto Sudeste, localizado na Ilha da Madeira, obra de grande porte e relevância e com características geotécnicas especiais. Estas caracterísiticas requerem não só um projeto geotécnico aprimorado e de alta qualidade, mas também um monitoramento geotécnico cuidadoso e contínuo de suas fundações; sugerindo a adoção de um sistema de monitoramento via web. Este monitoramento faz-se estremamente necessário para assegurar o desempenho adequado em condições de serviço minimizando o risco de rupturas do solo do local.
Neste empreendimento devido às altas cargas e recalques admissíveis foi adotada a solução de colunas de brita. A opção por esta técnica construtiva levou em conta a eficácia da mesma e também a grande disponibilidade de brita na área do empreendimento (Almeida et al, 2012).
Para o monitoramento das estruturas será instalada uma instrumentação geotécnica, semelhante à utilizada em outras obras com porte similar, necessária para a segurança da obra. Este monitoramento geotécnico consistirá na instalação de instrumentação diversificada, sendo que cada instrumento foi selecionado para atender a um determinado fim.
O sistema GVX de monitoramento e gerenciamento foi selecionado em virtude do volume de instrumentos envolvidos, a freqüência de leituras e a necessidade de processamento imediato dos resultados. Baseado em geomática, o sistema GVX permite que os dados lidos diretamente dos instrumentos recebam tratamento matemático, georeferenciamento e análise espacial. O sistema entrou em operação com a equipe da COPPE/UFRJ em 20 de setembro de 2011. Como resultado, foi criada uma plataforma de o monitoramento capaz de integrar diversos instrumentos, adquirir, processar seus dados e apresentar as informações geoprocessadas, estruturadas e em formato digital, privilegiando
a descentralização da decisão e interatividade entre os colaboradores envolvidos. Além da tecnologia, a relação entre a complexidade do modelo matemático envolvido e a qualidade dos dados necessários, gerou metodologias para a otimização entre instrumentos e recursos humanos necessários, mantendo sempre a aderência ao objetivo inicial e a qualidade dos resultados apresentados.
2 FASE DE CONSTRUÇÃO
2.1 Caracterização da área
O empreendimento do Porto Sudeste da PortX é localizado na Ilha da Madeira, próximo ao município de Itaguaí, no estado do Rio de Janeiro. O porto conta com 52 hectares, profundidade de 21 metros e estrutura offshore com dois berços de atracação de navios de grande calado. Terá por objetivo a distribuição de produtos do Grupo EBX, principalmente minério de ferro, por representar a menor distância entre os produtores de minério de ferro do Quadrilátero Ferrífero (Minas Gerais) e o oceano. O minério chegará por meio de uma ferrovia e será estocado em duas áreas, conhecidas como pátios de estocagem, de onde partirão esteiras para carregar navios atracados. Com localização na Baia de Sepetiba, o Porto Sudeste irá se beneficiar da infra-estrutura de acesso terrestre e marítimo já existente. Sua integração com a ferrovia MRS permitirá que o Porto Sudeste atenda algumas das principais regiões mineradoras localizadas em Minas Gerais. Além disso, sua conexão com o futuro anel rodoviário do Rio de Janeiro permitirá um acesso fácil às regiões metropolitanas do Rio de Janeiro e a principal rodovia, a Dutra, conectando São Paulo ao Rio de Janeiro.
O local apresenta espessuras de argila variáveis de 2,0 a 8,0 metros com uma camada de areia fofa superficial com espessuras entre 0,0 e 3,4 metros. O nível d’água se encontra relativamente próximo da superfície em todos os locais.
Para a melhoria da resistência do solo das vias de acesso e dos pátios foi adotada a
solução de colunas de brita executadas por vibrosubstituição.
Nesses locais de solo mole, melhorados com colunas de brita, as cargas atuantes serão extremamente elevadas. Todas estas estruturas requerem monitoramento geotécnico cuidadoso e contínuo de forma a assegurar o desempenho adequado do solo melhorado para que assim não haja risco de rupturas.
Como normalmente os recalques estão relacionados a presença de solo mole, tendo uma relação direta, optou-se por utilizar mais intrumentos (quanti e qualitativamente) nos locais com as maiores espessuras de argila mole. A estratigrafia dos pátios a serem instrumentados foi definida através dos resultados dos ensaios de sondagem, ensaios verticais de piezocone, de dissipação de poropressão e ainda ensaios de palheta.
2.2 Instrumentação
O projeto de o monitoramento executado pela equipe da COPPE/UFRJ para o monitoramento do pátio de minério do Superporto do Sudeste, adquiriu 259 instrumentos além de caixas elétricas, reservatórios hidráulicos e unidades de leitura a serem instalados em várias fases (Almeida et al, 2012).
A instrumentação dos aterros tem por objetivo de indicar os problemas tais como os recalques excessivos e as rupturas localizadas, durante a construção de aterro, que resultariam em atrasos e gastos de insumos como aterros, recravação das colunas, etc.
O monitoramento geotécnico consiste na diversificada malha de instrumentos instalados, cada tipo para um determinado fim. Os parâmetros a serem monitorados consistem em:
Recalques em superfície (através de perfilômetros, tassômetros e placas de recalque);
Recalques em profundidade através de medidores de recalques (extensômetro magnético vertical – aranhas magnéticas – e tassômetros);
Deslocamentos horizontais (através de inclinômetros) nas bordas das pilhas e nas bordas das vias de acesso;
Poro pressão de forma avaliar o efeito de melhoria do solo devido à cravação das colunas;
Tensões verticais no topo das colunas e entre as colunas, com células de pressão (células de tensão total).
Para os instrumentos instalados em profundidade (extensômetro magnético, transdutores de pressão e piezômetro de corda vibrante) objetivou-se instalá-los para acompanhar o comportamento de acordo com as diferentes camadas do solo. Para tanto, definiu-se as profundidades de acordo com a profundidade estimada da camada de argila no local onde o instrumento foi instalado.
Figura 2. Localização das Ilhas de investigação 3 e 4
As ilhas de instrumentação englobam um conjunto de instrumentos agrupados conforme as características do solo, nível de carregamento e os esforços aos quais determinada região será submetida. Os resultados obtidos dos diferentes instrumentos permite a correlação de informações e interpretação do comportamento tensão deformação destas estruturas.
3 SISTEMA GVX
O sistema GVX1 é uma plataforma web que
integra qualquer tipo de instrumento, importando dinamicamente seus dados e armazendando-os em banco de dados. Estes dados são processados e apresentados em gráficos através de um painel de controle. O tratamento matemático permite a emissão de alertas, indicando o instrumento, a sua localização no empreendimento e respectiva leitura fora da tolerância configurada. Para facilitar a visualização de toda a área monitorada, o sistema possui um WebGIS (Figura 3) com todos os instrumentos posicionados de forma georreferenciada além de ferramentas de cálculo de distâncias e áreas, de manipulação de escalas e coordenadas, a geografia dos instrumentos, e a sobreposição simultânea de camadas de informações como, por exemplo, imagens de satélite, plantas CAD, entre outros. Adicionalmente fazem parte do GVX as áreas de armazenamento de sondagens, upload e download de arquivos eletrônicos e o diário de obra, capaz de documentar as ações diárias realizadas no projeto. O sistema pode ser acessado através de qualquer computador, celulares e demais dispositivos móveis sem a necessidade de instalações ou configurações –
cloud computing2
As ilhas de instrumentação são instaladas e monitoradas de acordo com o avanço do projeto. A instrumentação em operação atualmente é composta por 3 perfilômetros, 6 células de pressão e 14 piezômetros localizados em quatro diferentes ilhas de instrumentação ao longo aterro da futura instalação da rodovia do patio 6 (Figura 1), e da ferrovia (Figura 2).
Figura 1. Localização das Ilhas de instrumentação 1 e 2
O monitoramento e avaliação dos dados de campo de cada ilha é realizado diariamente pela equipe especializada da COPPE/UFRJ e posteriormente carregado no sistema GVX afim de ser disponibilizado online para todos colaboradores do projeto.
1 http://geovoxel.com.br/
2 refere-se à utilização da memória e das capacidades de armazenamento e cálculo de computadores e servidores compartilhados e interligados por meio da Internet, seguindo o princípio da computação em grade.
Figura 3. Webgis mostrando um gráfico de piezometro de corda vibrante depois da seleção do instrumento no mapa
Figura 4. Passo a passo de importação de dados de instrumento coletado manualmente
As principais vantagens desse sistema para geotecnia são: disponibilização imediata, sem a necessidade da instalação de softwares ou aplicações; interface fácil e amigável através de ícones proporcionando fácil aprendizado; a ampliação da colaboração entre os técnicos envolvidos; o acompanhamento em tempo real dos dados; e a interoperabilidade com AUTOCAD, ArcGIS, entre outros.
Essa plataforma web foi projetada para
armazenar todos os dados produzidos pelos instrumentos instalados, nas fases de caracterização e de construção do projeto. Cada usuário, com sua função específica, tem seu nível de acesso segmentado. Por exemplo, o assistente de campo terá acesso somente ao preenchimento dos formulários e ao upload de dados (Figura 4). Já o supervisor do projeto acessará os gráficos e dados no painel de controle (Figura 5), podendo realizar de forma
Figura 5. Panel de controle que permite combinar instrumentos num mesmo gráfico nesse caso 6 células de tensão (vertical) total instaladas nas ilhas 1 e 2 em .
Figura 6. Poro-pressão ao longo do tempo dos piezômetros da Ilha 2.
adequada as análises e interpretações destes, tomando assim melhores decisões mediante a visão de conjunto oferecida pelo sistema.
Por seu caráter integrador, a plataforma GVX permite que qualquer tipo de instrumento de campo, independentemente de seu fabricante, possa ser configurado e monitorado. As constantes específicas utilizadas na conversão dos dados de instrumentos em
gráficos e resultados podem ser especificadas como valores de entrada para permitir o ajuste de escalas conforme especificações de cada fabricante. As funcionalidades deste sistema podem ser aplicadas com sucesso para qualquer projeto e em qualquer setor onde o monitoramento geotécnico se faça necessário. Com o sistema GVX é possível avaliar o histórico de comportamento dos dados medidos,
como por exemplo, no desenvolvimento do excesso de poro-pressão no solo a medida que a construção do aterro é executada, conforme apresentado na Figura 6. Nesta são apresentados medidas de poro-pressão em um período de 5 meses de quatro piezômetros distribuídos em diferentes profundidades.
Neste exemplo, evidenciou-se que a medida que o aterro foi elevado os excessos de poro-pressão aumentaram e depois que a cota final foi alcançada e o cargamento no solo foi estalibilizado, o excesso de poropressão se dissipou ao longo do tempo.
4 DISCUSSÃO
O portal web GVX foi apresentado como uma ferramenta inovadora para ajudar a melhorar e apoiar o trabalho de campo em Geotécnia. Essa solução tecnológica oferece ferramentas Web específicas e úteis, como diário de obra em formato Blog, painel de controle, sistema de informação geográfica web (WebGIS), gráficos dinâmicos, formulários inteligentes, eventos e gerenciamento de conteúdo, etc.
Além de atender ao objetivo técnico em gerar gráficos e mapas GIS precisos a partir dos dados gerados dinamicamente pelos instrumentos geotécnicos instalados, Losier et al. (2011) constataram o alcance da tecnologia nos três níveis do empreendimento: (i) nível Estratégico – Redução do Risco envolvido na operação e maximização do investimento realizado; (ii) nível Tático – Grande contribuição para a tomada de decisão, integrando colaboradores técnicos externos relevantes ao processo e mantendo em um único ambienta todas as informações do empreendimento; e (iii) nível operacional: ferramenta de fácil aprendizagem, centralizando todos os arquivos, leituras e transformando a atuação do recurso humano envolvido de funções operacionais para gerenciais.
Por seu caráter integrador, esta plataforma pode ser utilizada para o monitoramento de complexas obras de engenharia pesada, operações de mineração, óleo e gás, aterros-sanitários, alem de fenômenos naturais severos e seus reflexos.
AGRADECIMENTOS
Gostaríamos de agradecer a PortX do grupo EBX pela liberação dos dados apresentados neste trabalho e a equipe da COPPETEC pelo trabalho desenvolvido no projeto, instalação e leitura dos dados da instrumentação. Por fim, os autores agradecem a Geovoxel pelo desenvolvimento e suporte técnico do sistema GVX.
REFERÊNCIAS
Almeida, M.S.S., Lima, B.T., Baroni, M., Riccio. M., Fagundes, D.F., Pragana, A., Goldenstein, M. (2012). Uso de colunas de brita no porto sudeste, Itaguaí, RJ. SEFE7 – Seminário de Engenharia de Fundações Especiais e Geotecnia. São Paulo, Brasil. (a ser publicado)
Choi, Y.; Yoon, S. Y.; Park, H. D. (2009) Tunneling Analyst: A 3D GIS extension for rock mass classification and fault zone analysis in tunneling.
Computers & Geosciences, v. 35, n. 6, p. 1322-1333.
Gabriele, S.; D'aquila, G.; Chiaravalloti, F. (2009) A Distributed Real-Time Monitoring System for Landslide Hazard and Risk Assessment, GeoSpatial
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Kunapo et al. (2005) Development of a Web-GIS Based Geotechnical Information System. Journal Of
Computing In Civil Engineering, p. 323-327.
Lan, H.X. et al., (2009) A web-based GIS for managing and assessing landslide data for the town of Peace River, Canada. Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 9(4), 1433-1443.
Losier, L.M.; Dors, C.; Mahler, C.F.; Mansur,W.J.; Desgagné, E.; Garchet, P.M.; Portela, M.; e Schuler, A.R. (2011) Geotechnical monitoring system based on the analysis of geospatial data, 14th Pan-American
Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, October 2-6, 2011, Toronto, Ontario,
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Simeoni, L.; Floretta, C.; Zatelli P. (2011) Spatial database and web-GIS for managing and validating river embankment monitoring data. Proc. of the 8th
International Symposium on Field Measurements in Geomechanics, Berlin, Germany, 12-16 September
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Suwanwiwattana et al. (2001) The development of geotechnical database of Bangkok subsoil using GRASS-GIS. 22 Asian Conference on Remote
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Widger et al. (2006) Instrumentation and Real Time Monitoring of a Landslide on Highway No. 302 Near Prince Albert, Saskatchewan, Annual Conference &
Exhibition of the Transportation Association of Canada, 13p.
