UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo
LUANA KANN KELCH VIEIRA
DESENVOLVIMENTO DE QUEBRA-MAR
FLUTUANTE DE GARRAFA PLÁSTICA
CAMPINAS 2017
Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura
Luciana Pietrosanto Milla - CRB 8/8129
Veira, Luana Kann Kelch,
V673d VeiDesenvolvimento de quebra-mar flutuante de garrafa plástica / Luana Kann Kelch Vieira. – Campinas, SP : [s.n.], 2017.
VeiOrientador: Tiago Zenker Gireli.
VeiTese (doutorado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo.
Vei1. Quebra-mares. 2. Proteção contra erosão. 3. Garrafas plásticas. I. Gireli, Tiago Zenker, 1980-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Development of plastic bottle floating breakwater Palavras-chave em inglês:
Breakwater Erosion protection Plastic bottles
Área de concentração: Recursos Hídricos, Energéticos e Ambientais Titulação: Doutora em Engenharia Civil
Banca examinadora:
Tiago Zenker Gireli [Orientador] Frederico Fábio Mauad
Geraldo de Freitas Maciel José Gilberto Dalfré Filho
Conceição Juana Espinosa Morais Forte
Data de defesa: 15-12-2017
Programa de Pós-Graduação: Engenharia Civil
FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E
URBANISMO
DESENVOLVIMENTO DE QUEBRA-MAR
FLUTUANTE DE GARRAFA PLÁSTICA
Luana Kann Kelch Vieira
Tese de Doutorado aprovada pela Banca Examinadora, constituída por: Prof. Dr. Tiago Zenker Gireli
Presidente e Orientador FEC / Unicamp
Prof. Dr. Jose Gilberto Dalfré Filho FEC / UNICAMP
Prof. Dr. Geraldo de Freitas Maciel
Universidade Estadual Paulista - Campus Ilha Solteira Prof. Dra. Conceição Juana Espinosa Morais Forte
Laboratório Nacional de Engenharia Civil Prof. Dr. Frederico Fábio Mauad Universidade de São Paulo - São Carlos
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.
Esta pesquisa apresenta o estudo do quebra-mar flutuante de garrafa plástica cuja aplicação é reduzir a altura das ondas no litoral ou margem. A motivação do desenvolvimento deste conceito é a constante busca por alternativas ecológicas para proteção costeira. Pesquisas e estudos realizados para estruturas flutuantes não convencionais serviram de material e embasamento para o desenvolvimento do quebra-mar apresentado. O objetivo da pesquisa é desenvolver um quebra-mar flutuante ecológico de fácil construção. A metodologia utilizada foi modelagem física, portanto realizou-se a definição dos materiais, a construção do modelo e os testes do modelo. Antes dos ensaios com onda um gabião preenchido com garrafas foi testado em relação à deformação em um tanque de água. Os testes no canal de onda foram realizados variando-se a onda, a profundidade e a submergência do modelo. A fase seguinte foi de dimensionamentos de protótipos com dados reais para chegar a um roteiro de cálculo. O modelo físico reduzido é construído a partir de garrafas plásticas descartadas unitizadas por gabiões que são conectados. A estrutura é posicionada através de ancoragem à fundação no solo. No teste estático conclui-se sobre o preenchimento com água de algumas garrafas para minimizar o empuxo e, portanto, evitar deformação desnecessária. Os ensaios com ondas demonstraram redução significativa na altura de onda, principalmente quando a estrutura está submersa. Neste posicionamento, grande parte da energia da onda incidente é refletida e dissipada por percolação e arrebentação por cima da estrutura. A construção deste quebra-mar é modular sendo cada gabião um módulo que será conectado aos restantes depois de preenchido. Os módulos são preenchidos em terreno seco e então transportados para o local de implantação. Recomenda-se fortemente o uso quebra-mar flutuante de garrafa plástica para corpos d’água com ondas curtas, pois a eficiência deste é otimizada quando o comprimento da onda é menor que o comprimento da obra.
Palavras-chave: quebra-mar, proteção contra erosão, quebra-mar flutuante, quebra-mar ecológico, reutilização de garrafa plástica
This research presents the plastic bottle floating breakwater and its application is to minimize wave height on shore and margins. The motivation for the development of this concept is the study of environmentally friendly alternatives for coastal protection. Publications about unconventional floating breakwater were used as research material and inspiration for the development of the presented breakwater. The objective of this research is to develop an environmentally friendly breakwater that is easy to be constructed. The first part of the methodology was the definition of the materials and the actual construction of the model. Before the wave tests took place, a static test was performed on one gabion filled with bottles in order to evaluate the deformation in a tank. The tests in the wave channel were performed by varying the wave, the water depth and the submergence of the model. The next phase was the calculation of examples with real data to generate a calculation guide. The reduced physical model is made of scraped plastic bottles in gabions. The breakwater is held in position with anchoring cables to the foundation in the ground.
During the static test it was found that some bottle should be filled with water in order to reduce buoyancy and therefore avoid unnecessary deformations. The wave tests showed a significant reduction in wave height, especially when the structure is submerged. When it is submerged the wave energy dissipates when it hits the breakwater and surges over the structure loosing energy due to percolation and surge. The construction of this breakwater is modular, which means each gabion is a module and they are assembled to become the breakwater after being filled with bottles. The modules are filled with bottles and assembled in a dry area and are then transported to the place of installation. It is highly recommended to use the plastic bottle floating breakwater in water bodies where short waves take place, since the efficiency of this concept is optimized when the wavelength is shorter than the length of the breakwater.
Keywords: breakwater, erosion protection, floating breakwater, environmentally friendly breakwater, plastic bottle reutilization
Figura 2 - Modelo Reduzido do Quebra-mar de Garrafas plásticas ... 19
Figura 3 – Representação gráfica das teorias aplicáveis às diferentes características do ambiente de onda. ... 22
Figura 4 – Quebra-mares de talude, de parede vertical e misto, respectivamente. .. 23
Figura 5 – Gráfico do custo versus profundidade. ... 27
Figura 6 – Graus de liberdade de objeto flutuante ... 28
Figura 7- Interação do quebra-mar flutuante com a energia da onda ... 30
Figura 8– Interação do quebra-mar flutuante com a energia da onda ... 30
Figura 9 – Incidência obliqua da onda ... 31
Figura 10 - Desenho esquemático do módulo PT-1. ... 32
Figura 11 – Representação do canal e modelo utilizado para testes. ... 33
Figura 12 - Arranjo do BioHaven Floating Breakwater da empresa Martin Ecosystems. ... 34
Figura 13 - Desenho esquemático em planta da instalação para ensaio do BFB. .... 35
Figura 14 - Dimensionamento final e protótipo da barreira de onda de tubo. ... 37
Figura 15 – Esquematico do quebra-mar em relação à frente de ondas ... 42
Figura 16 - Módulo sendo submetido a teste elástico ... 44
Figura 17 - Esquemático da fixação do modelo do quebra-mar ao canal de ondas. . 45
Figura 18 - Detalhe de guinchos tipo catraca da ancoragem do modelo no canal. ... 46
Figura 19 - Gráfico da leitura dos sensores capacitivos. ... 48
Figura 20 - Intervalo representativo de leitura dos sensores capacitivos ... 48
Figura 21 – Fluxograma de cálculo para dimensionamento do quebra-mar. ... 50
Figura 22 – Blocos do tipo core-loc. ... 51
Figura 23 - Projeto inicial do quebra-mar de talude para o terminal 1 do Porto Açú. 52 Figura 24 – Esboço da localização em planta do quebra-mar de garrafas plásticas e fixação prevista para a embocadura da Lagoa de Maricá. ... 53
Figura 25 – Tela de arame de dupla torção. ... 55
Figura 26 – Camadas do arame utilizado na confecção de gabiões. ... 55
Figura 27 - Modulo sendo preenchido com garrafas plásticas ... 59
Figura 28 - Esquemático do Gabião Caixa da empresa Maccaferri. ... 59
Figura 31 – Segundo modelo em escala reduzido no canal de ondas. ... 62 Figura 32 – Imagem lateral das extremidades de barlamar (a) e sotamar (b) do modelo do quebra-mar de garrafa plástica durante ensaio. ... 63 Figura 33 - Gráfico da Taxa de Redução pela relação λ/L na profundidade de 0.5m. ... 64 Figura 34 – Gráfico da Taxa de Redução pela relação λ/L na profundidade de 0.75m ... 64 Figura 35 – Gráfico da Taxa de Redução pela relação λ/L na profundidade de 1.0m. ... 65 Figura 36 – Gráfico da Taxa de Redução pela relação λ/L para H = 200 mm variando a profundidade ... 66 Figura 37 – Gráfico da Taxa de Redução pela relação λ/L para H = 160 mm variando a profundidade ... 66 Figura 38 – Gráfico da Taxa de Redução pela relação λ/L para H = 120 mm variando a profundidade. ... 67 Figura 39 – Gráfico da Taxa de Redução pela relação λ/L para H = 80 mm variando a profundidade. ... 67 Figura 40 – Gráfico da Taxa de Redução pela relação λ/L para H = 40 mm variando a profundidade ... 68 Figura 41 – Gráfico da Taxa de Redução pela relação λ/L na profundidade de 0.5m com diferentes esbeltezes. ... 68 Figura 42 – Gráfico da Taxa de Redução pela relação λ/L na profundidade de 0.75m com diferentes esbeltezes. ... 69 Figura 43 – Gráfico da Taxa de Redução pela relação λ/L na profundidade de 1.0m com diferentes esbeltezes. ... 69 Figura 44 – Esquema em planta da transferência de energia. ... 71 Figura 45 – Comparação das dimensões do quebra-mar de talude e do quebra-mar flutuante de garrafa plástica para o Porto Açú na linha d’água. ... 74 Figura 46 - Comparação das dimensões do quebra-mar de talude e dos
dimensionamentos do quebra-mar flutuante de garrafa plástica para o Porto Açú na linha d’água. ... 75
Figura 48 - Esquema do projeto de quebra-mar flutuante de garrafa plástica para a orla de Maricá, em escala (200 x 115) m após recalculo. ... 78 Figura 49 - Esboço do mecanismo de roldanas para variação de cota do nível do reservatório ... 80
Tabela 2 - Ondas calibradas no canal de ondas para ensaio dinâmico ... 46 Tabela 3 – Deformações no ponto central do módulo ... 61 Tabela 4 – Roteiro de cálculo para dimensionamento ... 72 Tabela 5 - Resultado do dimensionamento do quebra-mar flutuante de garrafa
plástica para o Terminal 1 do Porto Açú. ... 74 Tabela 6 - Resultado aprimorado de dimensionamento do quebra-mar flutuante de garrafa plástica para o Terminal 1 do Porto Açú. ... 75 Tabela 7 - Resultado do dimensionamento do quebra-mar flutuante de garrafa
plástica para orla de Maricá. ... 77 Tabela 8 - Revisão do resultado do dimensionamento do quebra-mar flutuante de garrafa plástica para a orla de Maricá ... 78 Tabela 9 - Resultados do dimensionamento do quebra-mar flutuante de garrafa plástica para reservatório da UHE Ilha Solteira ... 79
%S submergência [ ]
c celeridade ou velocidade da onda [LT-1]
Ct taxa de redução Ht/H [ ] d diametro hidraulico [L] D diâmetro [L] E empuxo [MLT-2] f frequência da onda [T-1] F numero de Froude [ ]
Ft força no cabo de ancoragem [MLT-2]
g aceleração da gravidade (9,81m/s²) [LT-2]
G distância eixo a eixo dos tubos do módulo PT [L]
H altura de onda incidente [L]
h profundidade [L]
Ht altura de onda resultante ou transmitida [L]
k número de onda [ ] L comprimento do quebra-mar [L] M massa do quebra-mar [M] n número de módulos [ ] ng número de garrafas [ ] r fator de escala [ ] R numero de Reynolds [ ] T período da onda [T] V velocidade de escoamento [LT-1] v viscosidade cinematica [L2 T-1]
Vol volume de deslocamento da água do quebra-mar [L3]
Volg volume de garrafas preenchidas com água [L3]
W extensão do quebra-mar [L]
z espessura do quebra-mar [L]
δ esbeltez da onda [ ]
∆h variação do nível d’água [L]
λ comprimento de onda [L]
λ/L relação comprimento de onda e comprimento do quebra-mar [ ]
1. INTRODUÇÃO ... 15 1.1. HIPÓTESE ... 19 1.2. OBJETIVO ... 19 1.3. ESTRUTURAÇÃO DA TESE ... 20 2. REVISÃO DE LITERATURA ... 21 2.1. Ondas de vento ... 21 2.2. Quebra-mar ... 23 2.3. Quebra-Mar Flutuante ... 24
2.3.1. Hidrodinâmica de Quebra-Mares Flutuantes ... 28
2.3.2. PT-Breakwater ... 31
2.3.3. BFB Martin Ecosystems ... 34
2.3.4. Tubos de Plástico ... 36
2.3.5. Modelo de quebra-mar flutuante de garrafa plástica ... 38
3. METODOLOGIA ... 40
3.1. Materiais ... 40
3.2. Modelagem ... 41
3.2.1. Construção do Modelo e Teste Estático ... 43
3.2.2. A instalação para Ensaios com Onda ... 44
3.2.3. Ensaios com Onda ... 46
3.3.1. Porto Açú ... 50
3.3.2. Orla de Maricá ... 52
3.3.3. Reservatório da UHE de Ilha Solteira... 53
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 54
4.1. Materiais ... 54
4.1.1. Gabião ... 54
4.1.2. Ancoragem e Estaca Metálica ... 56
4.2. Resultados da Modelagem e Ensaio Estático ... 58
4.3. Ensaio Dinâmico com Onda ... 62
4.4. Roteiro de cálculo para dimensionamento ... 72
4.4.1. DIMENSIONAMENTOS ... 73 4.4.1.1. Porto Açú ... 73 4.4.1.2. Orla de Maricá ... 76 4.4.1.3. Ilha Solteira ... 79 5. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ... 82 5.1. Conclusões ... 82
5.2. Recomendações para Trabalhos Futuros ... 86
REFERÊNCIAS ... 88
Apêndice A ... 92
Apêndice D ... 109 Apêndice E ... 111 Apêndice F ... 113
1. INTRODUÇÃO
Grandes superfícies de água como mares, reservatórios e lagos estão expostas a vento, o agente gerador das ondas em corpos d’água chamadas de ondas de vento. As ondas se desenvolvem e percorrem uma trajetória até encontrar uma barreira. Essa barreira pode ser uma alteração no fundo, uma barreira física ou, simplesmente, a margem. Quando atingem o litoral ou as margens uma parte de sua energia é refletida e outra dissipada, principalmente, a partir do processo de arrebentação da onda. Neste processo, a onda deixa de transportar energia e passa a transportar massa, produzindo fluxos turbulentos capazes de transportar não só o sedimento disponível nos leitos, como também objetos de maiores dimensões. O desequilíbrio no litoral pode ocorrer devido a alterações nas ondas, na fonte dos sedimentos e obras civis. Margens de lagos ou lagoas também são erodidas quando o transporte de sedimentos está desequilibrado. A erosão de praias e margens pode resultar em prejuízos financeiros, como a destruição de construções e alteração da vegetação e da costa ou até mesmo oferecerem risco à vida para pessoas e animais.
Dentre as obras de proteção costeira que podem ser empregadas na solução deste problema destacam-se os quebra-mares, que são estruturas dispostas à frente da costa e tem como função criar áreas abrigadas da ação das ondas, a partir da redução parcial ou total de sua energia e consequentemente da altura da onda que consegue passar pela estrutura. Desta forma, quebra-mares são empregados não apenas para proteção de margens como também para permitir a criação de áreas de águas calmas para o fundeio de embarcações e a construção de portos e marinas.
Existem basicamente dois grandes grupos de quebra-mares: os fixos e os flutuantes. Os quebra-mares fixos são, geralmente, taludes apoiados no leito; já os quebra-mares flutuantes são estruturas móveis ancoradas no solo. O quebra-mar tradicional é construído de blocos, naturais ou artificiais, dispostos em talude, de forma a ocupar toda a coluna d’água e se erguendo metros acima da superfície livre. Esta concepção tradicional é associada a um grande impacto ambiental resultante da extração dos blocos de enrocamento, os quais são necessários em elevada quantidade para a construção do quebra-mar.
Outra solução amplamente empregada para redução de altura de onda é o quebra-mar de parede vertical, constituído de caixões de concreto armado que são
rebocados e também apoiados no leito. Este tipo de quebra-mar tem por característica refletir praticamente a totalidade da onda incidente, gerando uma onda estacionária ou clapotis. O principal impacto desse tipo de quebra-mar é o transporte de quantidade significativa de sedimento para o largo, comprometendo o balanço sedimentar no seu entorno.
As obras flutuantes podem ser uma alternativa que interage com o ambiente de forma menos agressiva. O quebra-mar flutuante encontra-se classificado dentre as estruturas “alternativas” redutoras de altura de ondas (ALFREDINI, 2009).
O quebra-mar flutuante se diferencia das obras convencionais por consumir menos material para sua construção e não ocupar toda a lâmina d’água, minimizando, assim, o impacto na dinâmica sedimentar da região permitindo que os sedimentos passem livremente por baixo da estrutura. O quebra-mar flutuante interfere menos no transporte de sedimentos do local e, portanto, impacta menos no ambiente. O impacto na dinâmica da fauna e flora também é minimizada devido ao fato de ser uma estrutura que flutua e não interrompe o curso dos animais ou o solo para crescimento da vegetação.
Outra vantagem está relacionada à construção do quebra-mar flutuante, que poder ser realizada fora da água, em pátio ou galpão e em módulos. Trata-se de vantagem em termos de custo e prazo, pois o custo de obras realizadas fora d´água costuma ser menor quando comparado ao custo de trabalho que requer equipamentos de apoio como barcas e flutuantes. Além disso, o prazo para obras executadas a partir de embarcações tende a ser maior.
São diversos os autores e instituições que pesquisam tecnologias de atenuação de ondas, seja para nova utilização de áreas próximas a águas agitadas ou proteção de margens ou praias de erosão. Masters (2001) em seu livro sobre impacto ambiental dos materiais de construção comuns e potenciais alternativas, menciona que a proteção costeira evolui e a busca por conceitos e materiais alternativos aumenta (MASTERS, 2001).
Além de quebra-mares existem outras alternativas de redução do impacto das ondas, como por exemplo recifes artificiais que elevam a batimetria e forçam a onda a arrebentar. Os recifes artificiais têm a desvantagem de ser apoiado e ocupar o solo do corpo d’água e grande parte da coluna d’água gerando possível impacto no transporte de sedimentos, sendo semelhante aos quebra-mares fixos neste
aspecto. Vasco e Maciel (2007), apresentam e discutem outra possibilidade para redução de altura de onda através de vegetação de fundo, pois esta, segundo o estudo, reduz a velocidade do escoamento e consequentemente reduz o impacto das ondas nas margens.
Meadows e Wood (2003), autores de um manual de Engenharia Civil, lembram a importância de se ter consciência dos impactos ambientais causados devido à implantação de obras costeiras. Ressalta-se que as obras fixas impactam significativamente no transporte de sedimento alterando o equilibro natural. É nesse contexto que se insere uma das vantagens do quebra-mar flutuante, pois tem menor impacto no transporte de sedimento quando comparado a obras fixas (BIESHEUVEL, 2013).
Diante da constante busca por soluções mais eficientes, mais econômicas e menos agressivas ao meio ambiente, foi concebido o quebra-mar flutuante de garrafa plástica (KELCH VIEIRA, 2012).
A principal matéria prima da obra é garrafa plástica reutilizada, que apresenta características como baixo custo, por empregar garrafas descartadas, eficiência comprovada em testes em modelo reduzido, além do fato de ser ambientalmente amigável por estar retirando da natureza milhares de garrafas que levam muitos anos para serem degradadas. O conceito proposto surgiu a partir da ideia apresentada por Harms et al. (1982) de um quebra-mar flutuante com pneus descartados, conforme Figura 1.
No experimento realizado por Harms et al. (1982), o quebra-mar flutuante foi construído a partir de pneus usados. Este conceito foi principal inspiração para o desenvolvimento do quebra-mar flutuante de garrafa plástica.
Figura 1 - Desenho esquemático do quebra-mar de pneus.
Fonte: Harms et al. (1982).
Ambos conceitos têm em comum que utilizam materiais alternativos de reuso de objetos descartados e podem ser construídos por módulos. O primeiro modelo físico reduzido do quebra-mar flutuante de garrafa plástica, testado por Kelch Vieira (2012) constituiu-se de garrafas plásticas agrupadas por uma gaiola de barras de aço de construção. O quebra-mar reduzido foi ensaiado sob a ação de ondas para verificação do potencial de redução da altura da onda. A partir dos resultados obtidos nos primeiros testes, onde se alcançou a redução de praticamente a totalidade da altura da onda para algumas configurações de onda ensaiadas foi desenvolvido o conceito. A Figura 2 mostra o primeiro modelo físico reduzido do quebra-mar de garrafa plástica no canal de ondas da Universidade de São Paulo – USP.
Nota-se que apesar dos resultados obtidos por Kelch Vieira (2012), o conceito de quebra-mar proposto ainda necessitava ser aprimorado para que pudesse ser aplicável em escala de protótipo, seja pelo fato do material empregado para unitizar as garrafas não ser adequado para o ambiente marinho, seja pelo fato dos ensaios em modelo reduzido terem sido realizados em apenas uma profundidade, com a estrutura submetida sempre à mesma submergência e com foco apenas na relação entre o comprimento da obra e o comprimento da onda e a redução da altura da onda incidente.
Figura 2 - Modelo Reduzido do Quebra-mar de Garrafas plásticas
Fonte: própria autora.
Assim, a contribuição inovadora que essa tese traz é o aprimoramento e a consolidação do conceito do quebra-mar flutuante de garrafas plásticas, utilizando gabiões para agrupar os elementos flutuantes, analisando em modelo reduzido o efeito da variação da profundidade, da submergência e da esbeltez da onda na redução da altura da onda incidente, além de um roteiro de cálculo para dimensionar um quebra-mar de garrafa plástica.
1.1. HIPÓTESE
A hipótese que norteia esta tese é a de que é possível tornar aplicável em escala de protótipo o conceito de quebra-mar flutuante de garrafas plásticas idealizado por Kelch Vieira e Gireli (2012), a partir do emprego de materiais para contenção das garrafas plásticas adequadas às solicitações de protótipo, da definição de um sistema eficiente de ancoragem e do desenvolvimento de uma metodologia de projeto detalhada.
1.2. OBJETIVO
O objetivo desta pesquisa é desenvolver uma metodologia que permita projetar um quebra-mar de garrafas plásticas em função das condicionantes de protótipo. Para tanto, são propostos aprimoramentos da estrutura visando maior durabilidade e facilitação do processo construtivo. São realizadas modelagem física e ensaios com ondas para conhecer o desempenho em relação à submersão e à
profundidade da água no ponto de instalação. Adicionalmente, são propostas soluções para a ancoragem, tendo em mente o processo construtivo e as dimensões da obra. São discutidos aspectos práticos de dimensionamento e definição de materiais de construção.
Por fim, pretende-se, a partir da metodologia, não só verificar a hipótese apresentada, como tornar possível projetar um protótipo capaz de ser instalado em campo.
1.3. ESTRUTURAÇÃO DA TESE
Nos quatro capítulos seguintes será apresentado primeiramente o resultado da pesquisa na literatura existente sobre formas alternativas de reduzir altura de onda com estruturas flutuantes e alguns estudos de caso. Seguido da metodologia utilizada depois da revisão de literatura e, finalmente, a modelagem em si com o dimensionamento do modelo, os testes de laboratório e também alguns dimensionamentos para potenciais protótipos em escala real. Com as observações e os resultados da modelagem e dos dimensionamentos são apresentados de forma gráfica os coeficientes de transmissão de altura de onda. A discussão dos resultados engloba todos tópicos aqui abordados, tais como a modelagem com os testes de laboratório, o roteiro de cálculo e os dimensionamentos. As conclusões e recomendações trazem, além do fechamento do trabalho, também os assuntos e aspecto que devem ser estudados futuramente para consagrar o quebra-mar flutuante de garrafa plástica para aplicação.
2. REVISÃO DE LITERATURA
Neste capítulo apresenta-se uma revisão das publicações sobre o tema. São abordados os assuntos:
• Ondas de Vento • Quebra-mar • Quebra-mar flutuante • Hidrodinâmica • Estudos de caso 2.1. Ondas de vento
Para poder contextualizar a pesquisa e os testes da modelagem física, se faz necessária uma breve revisão sobre as ondas. A massa de ar quando se descola sobre a superfície do corpo d'água gera atrito e consegue arrastar uma porção d'água estimulando a geração da onda. As ondas, na superfície da água, são geradas pelas forças do vento. Quanto maior a pista de sopro, ou fetch, mais a onda se desenvolve e também maior o período e, portanto, maior o comprimento de onda. Em locais com pista limitada, como reservatórios, o percurso da onda é limitado e, portanto, as ondas permanecem menores em comprimento e altura.
Ondas regulares são periódicas e uniformes com movimento similar ao senoidal. Um ambiente de ondas irregulares são um somatório de ondas com
geométrica diferentes e sobrepostas. Apesar da superfície aquática ser caraterizada
por um ambiente de ondas com diversas direções e tamanhos, portanto ondas irregulares, é comum utilizar a simplificação da teoria linear de ondas para avaliar e parametrizar as obras costeiras (MEADOWS e WOODS, 2003). Biesheuvel (2013) reforça diversas vezes em sua dissertação de mestrado sobre modelagem numérica de quebra-mares flutuantes que a simplificação de considerar as ondas sendo regulares e lineares na modelagem é difundido entre os autores do tema. Ondas na superfície da água se propagam a uma velocidade c, conhecida como celeridade da onda, que é definida pela relação entre o comprimento da onda λ e o período T. O comprimento da onda é a distância entre duas cristas ou vele; o período é o tempo de passagem de duas cristas ou vales em um ponto de referência.
As ondas gravitacionais surgem devido ao vento e conforme a onda se propaga a profundidade se altera e produz efeito de fundo e, portanto, a onda se deforma.
Para os cálculos e parâmetros envolvendo a mecânica das ondas, utilizou-se da teoria de ondas consagrada na literatura. As equações matemáticas que representam as ondas variam conforme a características destas. Na Figura 3 está representado graficamente qual teoria se aplica para as diferentes características do ambiente da onda.
Figura 3 – Representação gráfica das teorias aplicáveis às diferentes características do ambiente de onda.
Fonte: Adaptado de Le Méhauté (1976)
O comprimento de ondas lineares apresentado na equação (1) decorreda teoria linear de ondas de Airy (1841) ou Stokes de 1ª ordem. A equação (1) também representa matematicamente o comprimento da onda quando esta se enquadra na teoria de Stokes de 2ª ordem.
A equação (2) é a representação matemática do comprimento de ondas para Stokes de 3ª ordem para ondas não-lineares que possuem amplitude do cavado menor que a da crista.
λ=gT 2πtanh1+ πH λ 2 5+ cosh (4πh λ⁄ )+2 cosh2(4πh λ⁄ ) 8 sinh4(h2π λ⁄ ) T (2) 2.2. Quebra-mar
A instalação de quebra-mares tem como objetivo reduzir a altura das ondas incidentes gerando uma área abrigada a sotamar. Existem dois grupos de
quebra-mares os fixos e os não fixos. O mais comum dos mares é o
quebra-mar fixo de talude (ALFREDINI, 2009) sobre o qual há muitas publicações e aplicação bastante difundida na engenharia costeira.
Outros tipos de quebra-mares fixos, como os de parede vertical, mistos (talude com parece vertical) e submersos, são em geral mencionados como alternativas. A principal característica que esses tipos mencionados têm em comum é a de ocupar o solo e toda, ou maior parte, da coluna d’água. A Figura 4 apresenta exemplos de quebra-mares fixos.
Figura 4 – Quebra-mares de talude, de parede vertical e misto, respectivamente.
Fonte: Souza (2011).
Os quebra-mares fixos tem por característica serem eficientes em faixa vasta de ondas incluindo ondas de ressaca (FOUSERT, 2006). A instalação de uma grande barreira de rochas fixas é trivial para a criação de uma área abrigada de ondas. Mas existem situações e fatores que favorecem outros tipos de quebra-mares.
Os quebra-mares flutuantes, não fixos, são obras que visam a redução de altura de onda que possuem uma serie de vantagens, como a de causarem impactos minimizados no transporte de sedimentos e na ocupação do leito, pois ocupam somente a parcela superior da coluna d’água e não ocupando o solo. As
características, vantagens e desvantagens do quebra-mar flutuante são apresentados a seguir.
2.3. Quebra-Mar Flutuante
O quebra-mar flutuante, para promover a redução da altura da onda, precisa estar ancorado e tensionado, caso contrário o flutuante acompanha os movimentos da água e não age como obstáculo.
Existem diversos tipos de quebra-mares flutuantes tais como, retangular, barca, flutuador duplo, vazado, viga caixão, moldura A, tora dupla, esteira de pneus, esteira de toras, boias flutuantes (esferas ou pneus), placa basculante, conforme detalhado por Kelch Vieira (2012), Biesheuvel (2013) e Fousert (2006).
Os diversos tipos listados acima divergem na sua geometria e também na forma como atenuam onda, uma vez que há maneiras distintas de atenuação de energia da onda incidente para cada quebra-mar flutuante. No estudo de Brebner e Ofuya (1968), sobre o quebra-mar tipo moldura A (A-Frame) os autores listam as três formas de atuação de altura de onda: reflexão, interferência e dissipação. A onda encontra uma barreira em sua trajetória e parte de sua energia é refletida pelo obstáculo nesse encontro. O simples fato de a onda encontrar um obstáculo em seu percurso altera as caraterísticas dela e, portanto, a presença do quebra-mar flutuante atua na modificação da onda incidente, por exemplo, ela difrata. A dissipação ocorre devido à arrebentação, turbulência e fricção. A Turbulência e fricção dependem da permeabilidade da obra, pois é necessário que a onda, com sua energia incidente, penetre na estrutura. Dentro de uma estrutura permeável, ou porosa, a energia da onda incidente é dissipada na turbulência causada devido à interação da onda e os elementos flutuantes do quebra-mar e os vazios ou poros. Já a arrebentação ocorre sobre a estrutura quando o quebra-mar flutuante está submerso proporcionando grande perda de energia.
Na escolha do tipo adequado de obra costeira, Meadows e Woods (2003) sugerem que devem ser levados em consideração, no mínimo, os seguintes tópicos: hidrodinâmica local, transporte de sedimentos, monitoramento, manutenção, legislação, meio ambiente e custo. E segundo Fousert (2006) deve se levar outros fatores em consideração quando escolhendo o tipo de quebra-mar. É imprescindível para o dimensionamento que também sejam conhecidos os requisitos em relação ao resultado desejado, principalmente a altura de onda transmitida. Fousert (2006), em
seu trabalho pela busca de um quebra-mar flutuante com abrangência vasta na faixa
de ondas para proteger um porto flutuante, explica que quebra-mares flutuantes tem
eficiência na atenuação de onda em uma faixa especifica e que é menos eficiente para ondas longas. O autor não encontrou na literatura nenhum quebra-mar flutuante com eficiência para atenuar ondas longas e ambientes oceânicos de mar aberto. Devido ao fato de ser flutuante, este tipo de quebra-mar se movimenta na água reagindo às forças geradas pela energia da onda no encontro com a barreira. A movimentação hidrodinâmica e a ancoragem são discutidas adiante, pois a ancoragem que restringe o movimento tem influência no comportamento do quebra-mar em termos de deslocamento e eficiência.
Alguns trabalhos na literatura têm trazido, de forma comparativa, estudos acerca de atenuação de ondas por quebra-mares flutuantes. Estes estudos, avaliadas suas vantagens e desvantagens, permitiram dar um direcionamento criativo para o desenvolvimento do conceito do quebra-mar flutuante de garrafa plástica, objeto desta tese.
Ruol (2013), por exemplo, relata em seu trabalho sobre a busca de uma formula para o calculo da eficiência de quebra-mar flutuante que a eficiência é grande quando o comprimento do quebra-mar é cerca do dobro do comprimento da onda incidente. O autor lista diversas vantagens para o uso do quebra-mar flutuante. Dentre elas está o fato do solo não precisar suportar o peso do quebra-mar; o menor consumo de material na construção, principalmente em grandes profundidades; a fácil remoção e alteração de posição; o transporte de sedimento no fundo inalterado e o impacto visual menor. Fousert (2006) expressa a mesma opinião em relação às vantagens de poder ser instalado em locais com solo com menos capacidade de suporte, flexibilidade de mudança de local e pouca interferência no transporte de sedimentos.
É unânime, na produção cientifica da área, que os quebra-mares flutuantes são eficazes na redução de ondas curtas e que a relação entre o comprimento de onda e o comprimento do quebra-mar flutuante é determinante para sua eficiência na atenuação de altura de onda.
Biesheuvel (2013) comenta em seu trabalho sobre coeficiente de transmissão de quebra-mares que a escolha do tipo de quebra-mar depende das condições locais e resultado esperado da obra em relação à onda transmitida. Para o autor esses parâmetros locais são a profundidade da água, a disponibilidade de
rochas nas proximidades e as condições do solo, concluindo que o quebra-mar flutuante é interessante quando a profundidade é grande e as ondas são curtas, como em lagos por exemplo. Ainda segundo Biesheuvel (2013) as vantagens do quebra-mar flutuante são: atrativo economicamente em grandes profundidades, flexibilidade de transporte, aplicabilidade em solos menos resistentes, pouca interferência com transporte de sedimentos e circulação de água, possibilidade de ser combinado com funcionalidades como atracação, passeio, estacionamento e em alguns casos pode ser mais fácil obter a licença de instalação de uma obra flutuante quando comparada a uma licença para obra fixa. O autor também lista as desvantagens: promove menos proteção das ondas, sensível a ondas com frequência próxima à frequência natural de seu movimento, menos eficaz para ondas longas, o movimento das ondas pode levar a problemas de fadiga e necessidade de ancoragem reforçada e os custos de manutenção são maiores devido à solicitação dinâmica.
Os autores Fousert (2006) e Biesheuvel (2013) discutem o custo de quebra-mar fixo e sugerem que é apropriado para profundidades menores e quando há material para sua construção disponível nas proximidades do local de implantação. O quebra-mar flutuante não tem aumento de consumo de material conforme a profundidade aumenta, pois ele não ocupa toda linha d’água. Quando o custo versus a profundidade é mapeado em um gráfico para comparação de quebra-mares fixos e flutuantes, nota-se que a curva do custo de quebra-mar flutuante é quase constante ao longo da variação da profundidade. No gráfico traçado por Fousert (2006) e apresentado na Figura 5 observa-se em cinza a curva do custo de quebra-mares flutuantes. Nota-se pela leitura desse gráfico que o autor sugere que o emprego de quebra-mar flutuante passa a ser economicamente mais atrativo pois o custo não aumenta conforme a profundidade aumenta.
Figura 5 – Gráfico do custo versus profundidade.
Fonte: adaptado de Fousert (2006).
Biesheuvel (2013) conclui após analisar as formula para os coeficientes de transmissão de onda de diversos tipos de quebra-mar que o dado mais importante para determinação da eficiência de redução de altura de onda para quebra-mares flutuantes é o período da onda. Segundo ele, os estudos da modelagem física e numérica existente ainda não está definida para todos os limites de aplicação. As teorias analisadas e comparadas a ensaios físicos resultam em coeficientes de transmissão discrepantes e as premissas são muito divergentes. Enquanto quase todos estudos simplificam as premissas utilizando a teoria linear de ondas em águas profundas, cada teoria tem considerações diferentes em relação a reflexão, dissipação, movimento do quebra-mar e condições ambientais. Decorrente disso a afirmação mais interessante de Biesheuvel (2013) é que a eficiência dos quebra-mares flutuantes é, normalmente, superestimada.
Alguns autores como, por exemplo, Noble (1976) definem as características das ondas para as quais o quebra-mar é apropriado. O autor define a esbeltez da onda em 0,04 (relação entre a altura e o comprimento da onda) e períodos menores de 6 s, características de ondas em que o quebra-mar flutuante serve como atenuador. Noble (1976) explica, em seu artigo sobre quebra-mares flutuantes, porque são apropriados para ondas curtas, pois no caso de ondas de
período longo somente a porção superior da onda é atenuada por quebra-mares flutuantes enquanto que, neste caso, a maior parte da onda passa por baixo da estrutura.
O quebra-mar flutuante é relacionado à redução de ondas curtas ou ambiente com ondulações moderadas e aplicação em proteção de marinas, por exemplo (MANGOR, 2008). O autor de textos educativos sobre quebra-mares flutuantes relaciona o quebra-mar flutuante como uma solução para marinas e águas semi-abrigadas, justamente por esta estrutura não ser adequada para aplicação em águas abertas. Ainda, segundo Mangor (2008), o uso de quebra-mares flutuantes se dá em águas com extensões menores e, portanto, ondas menores.
2.3.1. Hidrodinâmica de Quebra-Mares Flutuantes
O quebra-mar flutuante interage com a água dinamicamente como todo objeto flutuante. É importante estudar o comportamento hidrodinâmico da estrutura, pois a interação tem relação com a eficiência de atenuação e onda (BIESHEUVEL, 2013). A Figura 6 mostra os 6 graus de liberdade de um objeto livre flutuando na água. Os números 1 e 2 indicam os movimentos horizontais frontal (1 - surge ou avanço) e lateral (2 - sway ou deriva). O numero 3 o movimento vertical (3 -heave ou afundamento). Os demais números representam movimentos rotacionais sendo 4 entorno do eixo longitudinal (4 -roll ou balanço), 5 entorno do eixo transversal (5 - pitch ou arfagem) e o 6 entorno do eixo vertical(6 - yaw ou guinada).
Figura 6 – Graus de liberdade de objeto flutuante
Para limitar os movimentos do quebra-mar na água é necessária ancoragem, sendo que uma ancoragem completamente rígida para os seis graus, em teoria, limita completamente o movimento enquanto na pratica as correntes náuticas ou cabos permitem movimento. A tensão da ancoragem influencia a eficiência do quebra-mar, pois garante a posição em relação à superfície d’água. Quando o nível d’água aumenta a tensão aumenta e o volume submerso também. O contrário, quando o nível d’água diminui, o volume submerso e a tensão na ancoragem é reduzida. Quando a tensão na ancoragem é reduzida mais liberdade de deslocamento é dado ao quebra-mar flutuante e em geral quanto mais livre mais a estrutura acompanha o movimento da água e, portanto, sua eficiência tende a reduzir. Porém, é interessante destacar que existem estudos que mostram incremento na redução da altura de onda transmitida ao permitir o deslocamento vertical à estrutura. (Fousert, 2006)
Fousert (2006) reuniu alguns resultados de modelagem numérica e explica a relação entre a geometria do quebra-mar, a movimentação e a consequente eficiência em redução de onda. Os estudos existentes simplificam a consideração das variáveis para analisar os fatores individualmente, pois além dos movimentos em si é necessário estudar também a geometria e como as alterações na geometria alteram a movimentação. A submergência, por exemplo, tem influência forte no movimento horizontal do quebra-mar pois quanto mais submerso, maior o movimento horizontal. O movimento horizontal depende do comprimento, da submergência e da massa do quebra-mar. Por exemplo, a consequência de aumentar a massa e o comprimento enquanto a submergência permanece
constante, reduz a amplitude do deslocamento horizontal. Já o movimento vertical
do quebra-mar é relacionado ao período e comprimento da onda e a massa. O aumento da massa do comprimento do quebra-mar resulta em uma amplitude menor
no deslocamento vertical. Além disso, quando o período da onda e do movimento
do quebra-mar são iguais, as ondas se somam e, portanto, a amplitude do movimento vertical pode aumentar. O autor observa também que quanto maior o comprimento do quebra-mar L menor a transferência de energia da onda por baixo da estrutura, sendo esta transmitida para sotamar.
Fousert (2006) conclui que a relação massa, comprimento e submergência são os mais relevantes na eficiência do quebra-mar.
A Figura 7 representa a energia da onda e a interação do quebra-mar. É interessante notar que a energia decresce conforme a profundidade aumenta sendo necessário ser levado em consideração para o dimensionamento da espessura e submergência.
Figura 7- Interação do quebra-mar flutuante com a energia da onda
Fonte: adaptado de Biesheuvel (2013).
A Figura 8 mostra como os movimentos hidrodinâmicos do quebra-mar relacionados ao principal fator que o influencia.
Figura 8– Interação do quebra-mar flutuante com a energia da onda
A Figura 9 mostra a incidência frontal (normal à face) da onda no quebra-mar e a incidência com ângulo. O caminho que a onda percorre dentro da estrutura é o comprimento L, no caso de incidência normal (seta preta), e maior que L (seta vermelha) quando é obliqua. Conforme discutido acima a eficiência do quebra-mar flutuante é fortemente dependente do comprimento do quebra-mar. Quanto maior L, maior a redução de altura de onda e sendo assim, quanto maior o caminho percorrido, maior e eficiência. Portanto conclui-se que a eficiência da obra é ainda maior quando a onda o atinge com ângulo em relação à normal.
Figura 9 – Incidência obliqua da onda
Fonte: própria autora.
2.3.2. PT-Breakwater
HARMS et al. (1982) desenvolveu um modelo de quebra-mar flutuante confeccionado principalmente de pneus reutilizados (PT-Breakwater). Seu estudo foi o módulo, pelo autor chamado de PT-1, que possuia 12,2 m de comprimento e 3,7 m de largura, sendo composto por 176 pneus, 49 em cada tubo de aço e 12 fiadas intermediárias com 10 pneus cada, conforme Figura 10. Os módulos são projetados para formarem um grande quebra-mar enfileirando-os na transversal de forma que a estrutura completa possui uma massa de aproximadamente 10.000 x n kg, sendo n o número de módulos encadeados. Os materiais utilizados para a construção do PT-1 foram: pneus de caminhão (Ø=PT-1,02 m), tubo de aço (Ø=0,4PT-1 m e espessura= 0,0071 m), 2 retentores de pneu (conjunto de tubos de aço de Ø=5,08 cm unidos em forma de cruz ou estrela), cinta de agrupamento (largura= 0,14 m, espessura=0,013 m e força de ruptura= 77472 N (7900 kgf)) e rebites (Ø=0,0126 m).
Figura 10 - Desenho esquemático do módulo PT-1.
Fonte: adaptado de Harms et al. (1982). Em que:
L: comprimento do quebra-mar, D: diâmetro do pneu,
h: profundidade,
G: distância eixo a eixo dos tubos do módulo PT, H: altura de onda incidente,
λ: comprimento da onda,
Ht: altura de onda transmitida,
W: extensão do quebra-mar.
A montagem contou com 3 etapas principais, o posicionamento dos pneus, o agrupamento destes com a cinta e fixação e por fim a inserção do tubo de aço.
A flutuabilidade do quebra-mar existe graças à presença de um volume de ar confinado na cavidade superior dos pneus que foi calculado em 0,034 m3 (34 litros) por pneu.
Foi constatado que a utilização de poliuretano expansivo nos pneus aumenta a capacidade de carga do módulo em aproximadamente 5300 kg.
Os testes foram realizados no canal de ondas no U.S. Army Coastal Engineering Research Center (CERC) que possui 194 m de comprimento, 4,6 m de largura e 6,1 m de profundidade. A Figura 11 representa o canal e o modelo.
Figura 11 – Representação do canal e modelo utilizado para testes.
Fonte: Harms et al. (1982).
Esse tanque foi operado nas profundidades de 2 m e 4,7 m para esse ensaio com ondas regulares de períodos de 2,6 a 8,1 s e altura de 0,15 m a 1,78 m. Os resultados mostraram que quanto maior λ/L, maior é o valor de Ct= Ht/H, o que significa que quanto maior o comprimento de onda, menor é a redução de altura de onda.
No que diz respeito à força de ancoragem, os resultados obtidos através de células de carga nos cabos de ancoragem mostraram que com o aumento da altura da onda, a força aumenta exponencialmente, e ainda é maior em profundidades menores.
Harms et al. (1982) também ressalta que a eficiência do quebra-mar flutuante está ligada à relação entre o comprimento da obra e o comprimento (λ) da onda incidente.
2.3.3. BFB Martin Ecosystems
Existem atualmente algumas soluções que podem ser comparadas ao quebra-mar de garrafa plástica. O caso em estudo foi escolhido por ser uma solução que utiliza garrafas plásticas para fabricação da matéria prima. A empresa Martin Ecosystems desenvolveu um quebra-mar flutuante e ecológico que foi testado por meio de modelagem física e, atualmente, já é comercializado. O material do quebra-mar chamado BioHaven® Floating Breakwater (BFB) é material plástico reciclado, inclusive a partir de garrafas, porém, processado para fabricação do material flutuante. O fabricante e proprietário da tecnologia afirma que é material plástico reciclado, não tecido, durável e não tóxico. São montados com camadas, conforme a Figura 12, para atingir a espessura desejada e podem ser fabricados em qualquer dimensão, segundo o fabricante.
Figura 12 - Arranjo do BioHaven Floating Breakwater da empresa Martin Ecosystems.
Fonte: adaptado de Webb (2014).
A aplicação sugerida pelos fabricantes para este tipo de quebra-mar flutuante (BFB) é com vegetação enraizada na superfície do quebra-mar. A solução comercializada pela Martin Ecosystems é o BFB em si, ou seja, a matriz. A vegetação é um complemento para a matriz e atuando conjuntamente, protegem a
margem de erosão, ajudam na recuperação de vegetação ribeirinha e na redução de onda. Ressalta-se que a fixação do BFB é feita através de estacas helicoidais cravadas no solo, com olhais ou manilhas que prendem a ancoragem na fundação e, esse mecanismo, permite a retirada somente do BFB sem ser necessária a remoção da fundação.
Os ensaios realizados por Webb (2014) no canal de ondas da University of South Alabama na escala 1:4 e considerando a lei de semelhança de Froude foram conduzidos para verificar o desempenho somente do BFB. Foram ensaiadas ondas, variando-se seu comprimento e altura e, também, variando-se a posição do BFB em relação à superfície da água e à profundidade da água no canal (WEBB,2014).
A Figura 13 mostra a geração de onda em planta em uma extremidade do canal, uma praia na outra e uma divisão do canal para eliminar o efeito da difração, pois o canal da University of South Alabama é muito mais largo que o modelo ensaiado. A instrumentação foi apenas um sensor a sotamar, na extremidade oposta à incidência da onda no modelo e a onda incidente foi considerada a onda medida durante simulação de onda sem o modelo instalado. Não houve medição de onda incidente durante os ensaios com o modelo.
Figura 13 - Desenho esquemático em planta da instalação para ensaio do BFB.
Os ensaios feitos por Webb (2014) revelaram três relações interessantes. 1. O comprimento da onda deve ser inferior ao da obra para se obter
uma maior eficiência na redução da altura da onda;
2. Quanto mais esbelta a onda maior a redução da altura de onda durante o ensaio;
3. Maior eficiência quando o BFB está submerso, com coluna d´água maior baixo dele que acima.
O BFB tem sido aplicado em estuários no sul dos Estados Unidos e, o acompanhamento feito e reportado pelo fabricante, tem demostrado que o sistema é eficiente para proteção de margem e recuperação de vegetação ribeirinha.
2.3.4. Tubos de Plástico
Ozeren et al. (2008) desenvolveram e testaram uma barreira de ondas para reservatórios de irrigação. O material principal utilizado para essa barreira flutuante são tubos de plástico furados para entrada de água, e fechados nas extremidades. O objetivo da pesquisa foi encontrar uma solução com melhor relação custo-benefício para proteção de margem de reservatórios pequenos, com pista de vento entre 400 e 800 m. A tecnologia proposta visa atenuar o efeito erosivo das ondas de vento por meio da instalação de tubos plásticos paralelamente às margens.
Um tubo, ou combinações de tubos, lisos ou corrugados, foram testados em modelo de escala reduzida 1:3 respeitando a lei de semelhança de Froude. O canal de ondas reproduziu as ondas, em escala, conforme dados ambientais coletados em um reservatório para irrigação perto de Carlisle, no estado de Arkansas nos EUA.
Os ensaios realizados em laboratório para verificação da eficiência da concepção contaram com ensaio dinâmico com ondas no canal de ondas do USDA‐ NRCS National Water and Climate Center no Arkansas e foram testados diversos tubos e combinações destes, variando a profundidade da água, profundidade vertical do tubo e o tipo de restrição ao movimento da estrutura. O canal tem 19 m e conta com um gerador de onda tipo placa basculante. As ondas testadas variaram de 10 a 78 mm e o período de 0,5 a 1,3 s e também se variou a submergência nestes ensaios. A instrumentação utilizada para leitura do nível d’água em pontos
específicos foram sensores capacitivos com precisão de ±1 mm fazendo 30 leituras por minuto durante aproximadamente 110 minutos.
A avaliação e discussão dos resultados girou em torno dos 3 parâmetros principais para dimensionamento de barreiras de onda flutuantes, segundo os autores, o posicionamento vertical em relação a superfície da água, a geometria da barreira e o tipo de restrição do movimento. As características das ondas determinantes são a esbeltez e o comprimento de onda em relação à profundidade. A configuração que melhor reduziu ondas em laboratório e cujo protótipo foi instalado está representado na Figura 14. São dois tubos de diâmetro diferentes e posicionados em profundidades diferentes.
Figura 14 - Dimensionamento final e protótipo da barreira de onda de tubo.
Fonte: adaptado de Ozeren (2008).
É interessante notar que o tipo de restrição de movimento que permitia movimento vertical resultou em maior eficiência. Foram usados pilares como guias para que os tubos permanecessem na mesma posição, sem se mover no plano horizontal. Os autores lembram que a fixação tipo ancoragem tem a desvantagem de ser difícil de dimensionar, pois a tensão no cabo varia com o nível d´água. Para ondas de pequena altura foi observado que a barreira de tubo submersa e a profundidade d’água maior que a posição da estrutura em relação a superfície otimiza o resultado. Os pesquisadores realizaram instalação de protótipos
otimizados após os ensaios em laboratório e a redução na altura da onda no protótipo foi medida em aproximadamente 50%.
2.3.5. Modelo de quebra-mar flutuante de garrafa plástica
O quebra-mar flutuante de garrafa plástica elaborado por Kelch Vieira e Gireli (2012) é composto por garrafas plásticas unitizadas por uma estrutura metálica. O modelo reduzido ensaiado em 2012 tinha 0,24m de altura por 0,90m de largura e 4,5m de comprimento. Foi composto de 1260 garrafas plásticas pequenas de, aproximadamente, 500 ml. Foi construída uma gaiola de aço para unir as garrafas e formar a estrutura do quebra-mar. Esse modelo foi ensaiado em canal de ondas com ondas regulares de diversos comprimentos e alturas. Este modelo tinha escala geométrica 1:25 e respeitava a lei de semelhança de Froude, de forma que a escala de tempos era 1:5. Assim, foram ensaiadas ondas que em escala de protótipo teriam período T entre T = 4,5 s e 8,5s e alturas H=0,5 m e H=3,0 m. para esses ensaios a profundidade foi 1,0 m e a submergência 50%. O equivalente em escala reduzida são períodos T’ de 0,9s a 1,7s e altura de onda H’ de 20 mm a 120 mm. Os testes do primeiro modelo reduzido demostraram uma redução de 98,5% para λ/L = 0,27 e redução também para ondas mais compridas que o modelo levaram à continuação do desenvolvimento do conceito. Isto significa que, de uma onda de 2,0m de altura, seriam transmitidos apenas 3,0 cm. Os resultados estão representados na Tabela 1, onde os períodos T’ e altura de onda H’ estão em escala reduzida. Foi identificado que a dissipação da energia da onda que atinge o quebra-mar de garrafa plástica acontece por reflexão e, principalmente, pela percolação da onda por entre as garrafas plásticas.
Tabela 1 - Tabela de redução de altura de onda T' (s) H' (mm) R (%) 0.9 20 95.2 40 97.9 60 98.5 80 98.5 1.1 20 86.5 40 86.4 60 80.6 80 82.9 100 82.2 120 83.8 1.3 20 62.4 40 58.8 60 59.1 80 61.3 100 61.0 120 61.7 1.5 20 52.2 40 51.1 60 55.3 80 56.2 100 57.4 120 58.0 1.7 20 26.2 40 24.5 60 26.4 80 28.6 100 33.9 120 38.3
3. METODOLOGIA
Neste capítulo explica-se a metodologia utilizada para a realização da modelagem física e dimensionamentos para o quebra-mar flutuante de garrafa plástica. O capítulo está estruturado da seguinte forma:
• Busca por materiais apropriados • Modelagem
• Teste com onda • Dimensionamentos 3.1. Materiais
A definição dos materiais de construção do quebra-mar flutuante de garrafa plástica foi realizada buscando no mercado materiais com base nas características que são necessárias para atender ao conceito deste quebra-mar.
As garrafas plásticas estavam definidas como elementos de flutuação desde a criação do conceito. Portanto foi ponto de partida para encontrar os demais materiais que desempenhariam as funções necessárias. Para agrupar as garrafas buscou-se algo que pudesse unitiza-las formando a estrutura. Seguindo o conceito de Harms et al. (1982) a estrutura deve ser modular para facilitar o processo construtivo. O material que une as garrafas permitindo que se forme um flutuante também precisa resistir aos esforços impostos pela onda e permitir a fixação da ancoragem à estrutura. O material precisa ainda ser permeável para permitir que a água passe pelas garrafas, ser leve e resistente a água, corrosão e intempéries.
Além do material para unir as garrafas é necessário encontrar a ancoragem e a fundação para poder instalar e fixar o quebra-mar. A ancoragem precisa necessariamente ser resistente aos esforços de tração do empuxo do quebra-mar, além de ser altamente resistente à corrosão. O principal ponto é poder ser executada em água. É necessário que seja possível fixar a ancoragem à estrutura e, na outra extremidade, à fundação com elementos de fixação igualmente resistentes aos esforços. É indispensável que seja possível fixar a ancoragem à fundação com elementos de fixação sem complicação de execução.
No dimensionamento da fundação é necessário ainda considerar um fator de correção devido à corrosão, pois a fundação e ancoragem estarão imersos em água e solo saturado.
3.2. Modelagem
A modelagem física consiste na experimentação de objetos em escala reduzida, inseridos em um sistema que reproduz as condições naturais. Para o sucesso da modelagem física é fundamental que seja respeitada a semelhança entre o modelo e o protótipo.
O modelo físico reduzido deve ser pequeno o suficiente para caber no espaço disponível e ser geometricamente semelhante ao protótipo, ou seja, as dimensões lineares do modelo são relacionadas às dimensões lineares do protótipo por um fator de escala constante (FOX, 2004), garantindo a semelhança geométrica do modelo.
Outro requisito da modelagem física é a semelhança cinemática, ou seja, as velocidades medidas em pontos correspondentes do modelo e do protótipo devem diferir por um fator de escala constante. Ressalta-se que para obter a semelhança cinemática é necessário satisfazer a condição de semelhança geométrica.
Por fim, é necessário correlacionar todas as forças atuantes entre o modelo e o protótipo, sendo essa relação chamada de semelhança dinâmica. Assim todas as forças envolvidas devem ser diretamente proporcionais, diferindo apenas por um fator de escala constante em todos os pontos homólogos.
Os adimensionais mais importantes na hidráulica são o número de Froude, que relaciona a força de inércia e a força gravitacional, e o número de Reynolds, que relaciona as forças inerciais e viscosas. As Equações 3 e 4 representam os adimensionais de Froude e Reynolds, respectivamente.
gh V F =
(3) ν ⋅ = V d R
(4) Em que: V: velocidade do escoamento, d: diâmetro hidráulico, ν: viscosidade cinemática.
O adimensional que descreve o escoamento a superfície livre é o número de Froude, este relaciona as forças de inercia e gravitacional, que é a principal força
restauradora escoamentos livres. No campo da engenharia costeira trabalha-se com a semelhança de Froude, onde apenas a relação de Froude é respeitada. Isso ocorre, porque a semelhança de Reynolds só seria alcançada com um valor de viscosidade cinemática diferente daquela que caracteriza a água. Segundo Fox (2004), em seu livro Introdução à Mecânica dos Fluidos, trabalhar com semelhança incompleta nestes casos traz resultados satisfatórios.
Nesta modelagem é necessário estabelecer as dimensões geométricas do quebra-mar e as condições ambientais de projeto. Através do fator de escala r obtém-se consequentemente as dimensões do modelo reduzido e as condições de instalação e as ondas as quais o modelo será submetido para os testes com onda. Para a modelagem física de quebra-mares trabalha-se com a semelhança dinâmica, portanto o fator de escala da frequência da onda é escala de tempos r1/2.
As dimensões do quebra-mar e do modelo reduzido são o comprimento (L), a extensão (W) e a espessura (z). As condições ambientais são a altura de onda incidente (H), a frequência da onda incidente (f) e a profundidade (h). A dimensão paralela à frente de ondas é o comprimento que não deve ser confundido com a extensão da obra. O comprimento da obra é a distância de quebra-mar que a onda vai percorrer antes de atingir a margem. A extensão da obra é a dimensão perpendicular à frente de onda e paralela à margem. A espessura do modelo é a terceira dimensão relacionada à profundidade. A figura 15 representa a nomenclatura dada às dimensões do quebra-mar e do modelo.
Figura 15 – Esquematico do quebra-mar em relação à frente de ondas
As grandezas analisadas nessa modelagem são dimensões primarias, em consequência disso os adimensionais são simples:
• Relação entre o comprimento da onda e o comprimento do quebra-mar: λ/L
• Esbeltez: H/gT²
• Relação entre a onda transmitida e a onda incidente: Ht/H
• Submergência: %S, relação entre a distância do nível d’água em repouso à extremidade inferior do quebra-mar e a espessura total A definição da escala geométrica se deu de forma iterativa, pois o limitante da modelagem são as dimensões do canal de ondas do CTH da USP. As dimensões máximas do modelo foram definidas para caber no canal de ondas, a escala calculada e validade conforme a limitação de geração de onda do batedor. A onda de projeto adotada é uma onda encontrada ao largo do litoral paulista, cuja altura significativa é 5 m com 8,5 s de período (GIRELI, 2009). Esta foi relacionada com a onda máxima possível de ser gerada neste canal e assim se obteve a escala geométrica teórica do modelo, 1:25 e consequentemente a escala de tempos 1:5 para o período da onda. O elemento flutuante, as garrafas não seguem a mesma escala devido à aos tamanhos comerciais existentes de garrafa plástica. As garrafas utilizadas foram garrafas plásticas de aproximadamente 500 ml, em média, para reduzir uma potencial distorção do efeito de escala. Não há, disponível comercialmente, garrafas para satisfazer a escala geométrica de 1:25, portanto buscou-se chegar o mais próximo possível da escala geométrica do modelo. As dimensões de garrafas de 500 ml são de aproximadamente 22 cm de altura e 6 cm de diâmetro. Prevendo a utilização de uma mistura de garrafas para o protótipo, porém com predominância de garrafas de 2 litros a escala real dos elementos flutuantes empregados no modelo guarda uma relação de dimensional de 1:4.
3.2.1. Construção do Modelo e Teste Estático
O elemento de unitização para agrupar as garrafas foi preenchido com garrafas plásticas vazias com volume de aproximadamente 500ml. Primeiramente foram realizados os testes estáticos com o objetivo de determinar a porcentagem de garrafas que deveriam ser preenchidas com água, de modo a minimizar a deformação excessiva e, ainda assim, garantir empuxo. Durante esse teste o
modulo do modelo foi submerso em tanque de água e instrumentado para realização da leitura da deformação em diferentes pontos do modulo.
Foram realizados três testes estáticos com um dos módulos da estrutura e sua deformação foi avaliada em 7 pontos (Figura 16), considerando-se o preenchimento das garrafas com água. Teste 1: preenchimento de 0 garrafas; teste
2: com preenchimento de 96 garrafas; e teste 3 com preenchimento de 256 garrafas;
portanto, 0%, 11,5% e 30,7% de preenchimento do volume, respectivamente. Enquanto se variava a submergência, flutuando na superfície até totalmente submerso, os pontos nos quais foram feitas as medições para cálculo da deformação eram observados por um teodolito que registrou a deformação.
Figura 16 - Módulo sendo submetido a teste elástico
Fonte: própria autora.
3.2.2. A instalação para Ensaios com Onda
O modelo foi ensaiado no canal de ondas do Laboratório de Hidráulica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, desenvolvido por Gireli (2008). Este canal possui dimensões de 50,0 x 1,1 x1,4 m com absorção de ondas no final e gerador de onda do tipo placa movimentado por um pistão acoplado a um motor elétrico. O gerador é capaz de gerar ondas regulares e irregulares de diferentes períodos e alturas, sendo que, para os ensaios apresentados neste trabalho, foram empregadas ondas regulares, apenas frontais (normais ao quebra-mar) e em escala reduzida com altura entre 40 a 200 mm e períodos entre 1,1 e 2,1s. O controle das
ondas é feito a partir de um computador com programa próprio, desenvolvido por Gireli (2008) que envia os comandos de geração para a placa geradora de onda. O software do programa de controle utiliza linguagem LabVIEW e opera com os dados de altura e frequência de onda inseridos pelo operador e recebe da instrumentação a leitura da onda produzida. Com essa informação da instrumentação é gerado novo comando para o motor para corrigir a onda para ir aproximando os valores inseridos com a leitura da instrumentação para gerar e confirmar a geometria da onda.
A fixação do modelo, composto por três módulos, no canal de ondas se deu por meio de 8 cabos de aço fixado em cada extremidade do modelo pelo canto superior e nas junções dos módulos, conforme a Figura 17, que apresenta a vista lateral e planta da instalação.
A fixação dos cabos de aço ao canal foi feita com guinchos manuais tipo catraca, nas extremidades do canal. O canal de ondas possui uma rampa de areia revestida de argamassa e, portanto, foi possível fazer a fixação do modelo ao fundo do canal, conforme Figura 17b que representa a vista lateral do canal com o quebra-mar instalado. Para posicionamento e fixação do modelo foi utilizado o artificio de
um cavalete invertido de aço, a estrutura em V, visível na Figura 17b para que o
ângulo dos cabos se assemelhasse ao que seria verificado no caso de uma fixação junto ao fundo. Portanto, reduziu-se a componente horizontal do esforço no cabo, sendo esse arranjo necessário para que fosse possível controlar a submergência da obra através das catracas localizadas na parte superior do canal.
Figura 17 - Esquemático da fixação do modelo do quebra-mar ao canal de ondas.
O canal de ondas conta com dois “carrinhos” que correm em trilhos, acima do nível da água, para instalação da instrumentação. Neste ensaio, foram instalados sensores capacitivos para leitura da altura de onda incidente e residual. A Figura 18 mostra os guinchos, o modelo e a instrumentação.
Figura 18 - Detalhe de guinchos tipo catraca da ancoragem do modelo no canal.
Fonte: própria autora.
3.2.3. Ensaios com Onda
A calibração das ondas foi realizada antes de a estrutura ser inserida no canal, sem influência de obstáculos no caminho da onda, de modo a garantir que a onda gerada atinja o modelo com a frequência e altura definidas, calibrados em um canal sem obstáculos. A instrumentação do canal, os sensores capacitivos auxiliam na calibração das ondas retornado os valores da variação do nível d’água para o sistema de controle do gerador de onda. Os ensaios com onda realizados foram uma combinação de variação de períodos de ondas incidentes e altura de ondas, conforme a Tabela 2.
Tabela 2 - Ondas calibradas no canal de ondas para ensaio dinâmico
Onda em escala reduzida Período (s) Altura (mm)
2,1
200 160 120
