Modelação laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos

MODELAÇÃO LABORATORIAL DE UMA ESTRUTURA ADERENTE EM CILINDROS DE GEOSSINTÉTICOS DIOGO JÚLIO DA SILVA FERREIRA Dissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL — ESPECIALIZAÇÃO EM HIDRÁULICA, RECURSOS HÍDRICOS E AMBIENTE Orientador: Professor Doutor Fernando F. Machado Veloso Gomes JULHO DE 2014 ii MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL 2013/2014 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL Tel. +351-22-508 1901 Fax +351-22-508 1446  m[email protected] Editado por FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Rua Dr. Roberto Frias 4200-465 PORTO Portugal Tel. +351-22-508 1400 Fax +351-22-508 1440  [email protected]  http://www.fe.up.pt Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil - 2013/2014 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2013. As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respetivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir. Este documento foi produzido a partir de versão eletrónica fornecida pelo respetivo Autor À minha família e a todos que sempre me acompanharam There can be no progression without head-on confrontation Cristopher Hitchins Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos ii Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos i AGRADECIMENTOS Ao longo da elaboração da presente dissertação, foram muitas as pessoas que me ajudaram de forma a concluí-la com o maior sucesso possível e, por tal, deixo nesta página os meus profundos e sinceros agradecimentos a todos eles. Em primeiro lugar, ao meu orientador, o Professor Doutor Francisco Veloso Gomes, pela sua transmissão de conhecimento, apoio e disponibilidade, os quais foram valiosos para a realização da dissertação, tornando-a mais rica, agradável e desafiadora. Aos senhores Luís Pinto, António Sousa e José Rocha, que incansavelmente me ajudaram na construção do modelo físico, sendo que sem eles tal teria sido muito mais moroso e difícil. À Professora Doutora Maria de Lurdes Lopes e ao Engenheiro David Carlos, pela prontidão e disponibilidade em oferecer as telas em geossintéticos, necessárias para o modelo físico. À Geosin, representante da TenCate em Portugal, pela cedência dos cilindros de geossintéticos utilizados no modelo físico. Ao projeto ScourCoast – Avaliação dos níveis de segurança associados a erosões localizadas devidas a geossistemas utilizados para controlo da erosão costeira na costa Portuguesa, PTDC/ECM/122760/2010, financiado por fundos nacionais através da FCT/MCTES (PIDDAC) e cofinanciado pelo Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER) através do COMPETE – Programa Operacional Factores de Competitividade (POFC), pelo apoio financeiro para realização do modelo físico. À Professora Doutora Luciana das Neves pela sua ajuda quanto aos elementos técnicos na sala de comando, assim como ao Professor Doutor Paulo Santos, pela sua ajuda e esclarecimento de algumas dúvidas ao longo da dissertação. Ao Sr. Engenheiro Guilherme Paredes, pela transmissão do seu conhecimento sobre os softwares informáticos, o que foi preponderante para a realização do modelo físico, assim como a sua disponibilidade. À D. Esmeralda Miguel e D. Paula Pinto, que muito me apoiaram e motivaram ao longo desta dissertação e que me ajudaram sempre que foi preciso. A toda a minha família, que sempre esteve comigo ao longo da dissertação, garantindo todas as condições para trabalhar e que incentivou ao longo de todo o meu percurso académico, inclusive nos meus momentos menos bons. Ao Francisco Vilaça, Crina Stefania e ao Tiago Faria, amigos que sempre me apoiaram e que foram fundamentais para esta dissertação, oferecendo o seu tempo pessoal para me ajudar. A todos os meus amigos que me acompanharam ao longo destes anos na faculdade, pela disponibilidade que sempre demonstraram em me ajudar, motivação oferecida e preocupação perante momentos menos positivos, um enorme obrigado. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos ii Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos iii RESUMO Com os movimentos da população para as regiões costeiras, houve a necessidade de aumentar as infraestruturas e edificações, ocupando, muitas vezes, territórios vulneráveis situados ao longo da linha de costa e suscetíveis aos fenómenos erosivos, aumentando o risco de danificação das estruturas. Para contrariar tais efeitos negativos têm sido realizadas várias intervenções de defesa costeira, muitas delas utilizando betão e enrocamento. No entanto, nas últimas décadas têm sido aplicadas novas soluções de engenharia costeira de carácter “soft”, para tentar controlar os fenómenos erosivos na costa, de modo a mitigar alguns dos efeitos negativos, que uma solução tradicional possa trazer. Falamos do recurso a materiais geossintéticos, como cilindros, sacos e os contentores, sendo a areia, ou outro material granular, confinada no geotêxtil. Por se tratar de uma intervenção com um menor custo de investimento, maior facilidade construtiva e de remoção e menor impacte ambiental, torna o seu uso bastante apetecível, não obstante existir ainda um défice quanto ao dimensionamento e avaliação do seu comportamento, num longo prazo. A eficácia, em termos comparativos, poderá ser menor ou mesmo reduzida, pelo que, esta avaliação necessita de ser equacionada. A presente dissertação visa obter informações sobre esta temática, designadamente, sobre os cilindros de geossintéticos, procurando antever o seu comportamento num caso prático, como um elemento reforçador de uma duna. Baseia-se num caso real de aplicação na costa noroeste portuguesa, nomeadamente na praia de Moledo do Minho. A praia de Moledo do Minho tem mostrado nos últimos anos uma tendência para regredir, tanto ao nível do cordão dunar como do perfil transversal da praia, em especial no inverno, durante a época de marés vivas. Há uma necessidade urgente de intervir para se proteger não só o património natural das dunas, como também as edificações nas zonas adjacentes. Foi projetada uma solução com cilindros de geossintéticos que deveria ter sido executada após do inverno de 2011, mas que, só agora, se encontra em fase de arranque. Para estudar o comportamento dos cilindros de geossintéticos, procedeu-se a uma modelação física de uma das secções mais estreitas da secção transversal da praia existente. Foram efetuadas no modelo laboratorial três séries de ensaios no tanque de ondas da FEUP, para o nível de água mais desfavorável (PMAV) e para as condições de agitação tipificadas como as mais frequentes na costa noroeste portuguesa. O modelo foi constituído simulando três zonas distintas, o que permitia uma análise comparativa de três diferentes soluções em simultâneo: a secção com o cilindro prevista no projeto; uma secção com um cilindro alternativo de menores dimensões e uma secção sem qualquer dispositivo de defesa costeira. Com os resultados obtidos, ficou demonstrado que é preciso intervir no local, correndo-se o risco de, se nada for feito, o cordão dunar poder vir a sofrer danos irreparáveis, fazendo com que as habitações adjacentes fiquem expostas a um maior nível de agitação marítima. PALAVRAS-CHAVE: Cilindros de Geossintéticos, Defesa costeira, Modelação Física, Moledo do Minho, Estruturas “soft” Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos iv Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos v ABSTRACT The spread of the population in coastal areas has led to the necessity of more essential services and development of infrastructures. This occurs in most of the cases, in the shoreline land increasing its vulnerability due to the effects of erosion. As a consequence, the likelihood to damage such structures raises. In order to minimize these negative effects, different coastal solution were created, most of them, with the use of concrete and riprap. In the last few decades’ new applications, known as “soft structures”, were applied to prevent the negative effects of erosion on the coast and to mitigate the problems that a traditional solution carries with it. An example of such structure is the use of a geosynthetic material, like cylinders, bags or containers, that are filled with sand or another granular material. The fact that this kind of structure offers a low investment cost, a better installation process, the ease of removal, if necessary, and the minimal environmental impact, makes it a better choice for coastal defense. Although, this structure do not present a very explicit design method and its long term behavior is unpredictable. In some cases, a comparative evaluation of all coastal defense applications is crucial to evaluate its efficacy. This dissertation aims for the development of information in relation to this subject. It specifically focus on the cylinders and the anticipation of its reaction on a practical study as reinforcement in a dunar system on Moledo do Minho beach in the Northwest coast of Portugal. The Moledo do Minho’s beach has shown, in the past few years, a tendency to decrease in its beach profile and its dunar system, mostly in the winter season during times of high tides. For that reason there is a need to protect the natural heritage of the dunes and the dwelling areas. After the high tides of 2011 winter season, was designed a geossynthetic cylinders solution, which should proceed immediately after, but only now its construction begins. To study the geosynthetics cylinders behavior, was built a physical model of one of the narrowest section of Moledo do Minho’s beach. On the same model were made, in FEUP´s wave tank, three series of tests for the worst water level scenario (high water level) and typical wave climate of the Portuguese northwest coast. The model was built to create three distinct zones and provide a comparative analysis of three solutions at the same time: One section with the designed cylinder from execution project; Second section with an alternative cylinder, with lower dimensions; Third section without any kind of protection. The tests results show that is urgent to intervene in order to protect the natural area. If this problem is not solved the dunar system and the dwelling areas could suffer irreparable damages. KEYWORDS: Geosynthetics Cylinders, Coastal Defence, Physical Modelling, Moledo do Minho, "soft" Structure Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos xii Figura 2.30 – Procedimento de instalação de um cilindro no Pine Cliff Resort, Albufeira..................... 37 Figura 2.31 – Estado atual da instalação, datado de 27/05/2014.......................................................... 37 Figura 2.32 – Primeira Intervenção em Leirosa, datado de Março de 2000 .......................................... 48 Figura 2.33 – Tela em geossintético usada na segunda Intervenção em Leirosa, datado de Fevereiro de 2005 ................................................................................................................................................... 39 Figura 2.34 – Estado da estrutura em geossintéticos em Abril de 2006 ............................................... 40 Figura 2.35 – Perfil transversal tipo da solução definitiva ...................................................................... 40 Figura 2.36 – Sequência construtiva dos cilindros de geossintéticos em Leirosa, datado de Julho a Agosto de 2008 ...................................................................................................................................... 41 Figura 2.37 – Aspeto do cordão dunar da Leirosa, em Fevereiro de 2013 ........................................... 42 Figura 2.38 – Situação inicial, em condições deploráveis, em 2002 ..................................................... 43 Figura 2.39 – Esquema em perspetiva do futuro perfil transversal resultante da diminuição da energia da onda incidente ................................................................................................................................... 43 Figura 2.40 – Enchimento dos Cilindros, recorrendo a uma tremonha ................................................. 44 Figura 2.41 – Enchimento dos cilindros, recorrendo a bombagem da mistura de areia e água, proveniente dos bancos de areia ........................................................................................................... 45 Figura 2.42 – Aspeto final, numa determinada secção, da solução ...................................................... 46 Figura 2.43 – Comparação antes e após a instalação da estrutura, fotografias com 2 anos de diferença ................................................................................................................................................. 46 Figura 2.44 – Breve sequência na construção do campo de esporões em Bald Head Island .............. 47 Figura 2.45 – Perfil do Quebramar destacado utilizado ......................................................................... 48 Figura 2.46 – Posição dos cilindros ao longo do perímetro da ilha ....................................................... 48 Figura 2.47 – Pequena sequência alusiva a criação da ilha Amwaj ...................................................... 49 Figura 3.1 – Posição de Moledo do Minho, na costa noroeste Portuguesa .......................................... 51 Figura 3.2 – Localização de Moledo do Minho, face a embocadura do rio Minho ................................ 52 Figura 3.3 – Secção Transversal da estrutura transversal aderente segundo o projeto de 1941 ......... 52 Figura 3.4 – Fotografia satélite representado as construções acima mencionadas .............................. 53 Figura 3.5 – Ilha de Ínsua ....................................................................................................................... 54 Figura 3.6 – Imagem satélite da zona de intervenção, focando essencialmente na sua posição face a aldeia de Moledo do Minho .................................................................................................................... 55 Figura 3.7 – Imagem de satélite datada de 16/10/2001 da zona de intervenção .................................. 56 Figura 3.8 – Imagem de satélite, datada de 8/5/2003 da zona de intervenção ..................................... 57 Figura 3.9 – Imagem de satélite, datada de 21/5/2004 da zona de intervenção ................................... 58 Figura 3.10 – Imagem de satélite, datada de 30/10/2006 da zona de intervenção ............................... 59 Figura 3.11 – Imagem de satélite, datada de 19/9/2010 da zona de intervenção ................................. 60 Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos xiii Figura 3.12 – Aproximação das ondas, à arriba dunar junto ao moinho (Adaptado de um vídeo sobre a forte ondulação datado de 19/2/2011) ................................................................................................ 60 Figura 3.13 – Destroços de um passadiço (Adaptado de um vídeo sobre a forte ondulação, datado de 19/2/2011) .............................................................................................................................................. 61 Figura 3.14 – Intervenção com enrocamento, datado de 4/03/2011 ..................................................... 61 Figura 3.15 – Vista para Sul, a partir do moinho, datado de 4/3/2011 .................................................. 62 Figura 3.16 – Estado do cordão dunar, datado de 4/3/2011 ................................................................. 62 Figura 3.17 – Estado do cordão dunar, datado de 23/11/2013, na secção a norte do moinho ............. 63 Figura 3.18 – Estado do enrocamento na zona do moinho, datado de 23/11/2013 .............................. 63 Figura 3.19 – Vista para Sul, a partir de uma secção intermédia da zona de intervenção, datada de 23/11/2013 .............................................................................................................................................. 64 Figura 3.20 – Entrada indevida na zona de intervenção, datada de 23/11/2013 .................................. 65 Figura 3.21 – Paliçadas, datado de 23/11/2013 .................................................................................... 65 Figura 3.22 – Estado do cordão dunar, na secção a norte do moinho, datada de 12/02/2014 ............. 66 Figura 3.23 – Estado do enrocamento da secção a frente do moinho, datada de 12/02/2014 ............. 66 Figura 3.24 – Vista a Sul a partir do moinho, datada de 12/02/2014 ..................................................... 67 Figura 3.25 – Estado do cordão dunar, junto ao paredão, datada de 12/02/2014 ................................ 67 Figura 3.26 – Estado das paliçadas, datado de 12/02/2014 .................................................................. 68 Figura 3.27 – Pontos de Referência, Adaptado Google Earth 2014...................................................... 69 Figura 3.28 – Estado do extremo norte da estrutura aderente datada de 23/11/2013 .......................... 72 Figura 3.29 – Estado do extremo norte da estrutura aderente, datada de 12/02/2014 ......................... 73 Figura 4.1 – Imagem do Tanque de ondas, antes do início dos ensaios .............................................. 79 Figura 4.2 – Conjunto de Batedores do sistema de Geração de Ondas HR Wallingford ...................... 80 Figura 4.3 – Sala de Comando, adjacente ao tanque de ondas ............................................................ 81 Figura 4.4 – Conjunto de Sondas, medidores de níveis hidrodinâmicos, utilizadas no ensaio ............. 81 Figura 4.5 – Cilindros de geossintéticos, usados na atividade laboratorial ........................................... 82 Figura 4.6 – Perfil tipo, do modelo ensaiado .......................................................................................... 89 Figura 4.7 – Planta do tanque de ondas da FEUP ................................................................................ 89 Figura 4.8 – Viabilidade da execução dos estados de agitação ............................................................ 93 Figura 4.9 – Aspeto inicial do perfil, previamente ao ensaio nº1 ........................................................... 95 Figura 4.10 – Revestimento do enrocamento da praia dissipadora, recorrendo a geossintéticos ........ 96 Figura 4.11 – Cércea a servir como guia para a execução do modelo ................................................. 97 Figura 4.12 – Barreira na parte oposta a zona de exposição do cordão dunar ..................................... 98 Figura 4.13 – Reforço da barreira .......................................................................................................... 98 Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos xiv Figura 4.14 – Transporte da areia para o local de construção do modelo ............................................ 99 Figura 4.15 – Perfil final do modelo, prévio ao ensaio 1, durante a fase de enchimento ...................... 99 Figura 4.16 – Colocação da sonda, medidora dos níveis hidrodinâmicos, perto do sistema de geração100 Figura 4.17 – Tabela de Calibração obtida, após o ensaio 3 .............................................................. 100 Figura 4.18 – Ilustração representativa das 3 secções em estudo ...................................................... 101 Figura 4.19 – Perfil inicial, antes do ensaio nº 1 .................................................................................. 102 Figura 4.20 – Procedimento inicial, no programa HR Wave Maker para o princípio da geração das ondas .................................................................................................................................................... 102 Figura 4.21 – Fenómeno de espraiamento, nos momentos iniciais do ensaio nº 1 na secção A ....... 103 Figura 4.22 – Arriba de erosão do pé de talude de recobrimento, na Secção B ................................. 103 Figura 4.23 – Situação na Secção C numa fase inicial do ensaio nº1 ................................................ 104 Figura 4.24 – Infraescavação na base do cilindro 1, na secção A ...................................................... 105 Figura 4.25 – Primeiro momento de visualização do cilindro 2, na secção B ..................................... 105 Figura 4.26 – Alinhamento das secções A e B .................................................................................... 106 Figura 4.27 – Efeito localizado, na secção B-C ................................................................................... 106 Figura 4.28 – Fissuração na areia do topo do cilindro 1, na secção A ................................................ 107 Figura 4.29 – Evolução na instabilidade por rolamento do cilindro 1 na secção A ............................. 108 Figura 4.30 – Estado da Secção B nos 20 minutos de ensaio ............................................................ 108 Figura 4.31 – Aspeto final da Secção A, após a conclusão do primeiro ensaio .................................. 109 Figura 4.32 – Imagem final da Secção B, após a realização do ensaio 1 ........................................... 109 Figura 4.33 – Fotografia lateral, ilustrativa do aspeto final da Secção C ............................................ 110 Figura 4.34 – Aspeto final do modelo, após a conclusão do ensaio 1 ................................................. 110 Figura 4.35 – Aspeto inicial do perfil para a realização do ensaio nº2 ................................................ 111 Figura 4.36 – Diferença no perfil-tipo da praia, aquando a execução do ensaio nº2 .......................... 112 Figura 4.37 – Procedimento inicial, no programa HR Wave Maker para o princípio da geração das ondas, para a realização do ensaio nº2 ............................................................................................... 112 Figura 4.38 – Estado do cilindro 1, na secção A, no instante inicial do ensaio nº2 ............................. 113 Figura 4.39 – Estado das secções B e C, no instante inicial do ensaio nº2 ........................................ 113 Figura 4.40 – Evolução do ensaio nº2, após 2 minutos do seu início ................................................. 114 Figura 4.41 – Estado do modelo físico durante o ensaio nº2, após 4 minutos do seu início .............. 115 Figura 4.42 – Estado do modelo físico durante o ensaio nº2, após 10 minutos do seu início ............ 116 Figura 4.43 – Estado final após o ensaio nº2, na secção A................................................................. 116 Figura 4.44 – Estado após o ensaio nº2, na secção B ........................................................................ 117 Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos xv Figura 4.45 – Estado após o ensaio nº2, na secção C, numa fase de esvaziamento do tanque de ondas .................................................................................................................................................... 117 Figura 4.46 – Trabalho de reperfilização .................................................................................................. 118 Figura 4.47 – Modelo Físico antes da realização do ensaio nº3 ................................................................. 118 Figura 4.48 – Introdução dos dados, no programa HR Wave Maker para realização do ensaio nº3 ............ 119 Figura 4.49 – Posicionamento do cilindro 1, nos instantes iniciais do ensaio nº3 ......................................... 119 Figura 4.50 – Secção B, no 1º momento de averiguação no ensaio nº3...................................................... 120 Figura 4.51 – Pé da duna, na secção C, afetado pela agitação marítima nos instantes iniciais do ensaio nº3. 120 Figura 4.52 – Secções B e C, no 10º minuto durante o ensaio nº3 ............................................................. 121 Figura 4.53 – Secção B, durante o meio-termo do ensaio nº3 .................................................................... 121 Figura 4.54 – Instabilidade do pé de talude, durante o ensaio nº3, na secção C .......................................... 122 Figura 4.55 – Propagação da instabilidade na secção C, no ensaio nº3 ..................................................... 122 Figura 4.56 – Situação final em A, após o ensaio nº3 ............................................................................... 123 Figura 4.57 – Situação final após a realização do ensaio nº3, na secção B ................................................. 123 Figura 4.58 – Situação Final na secção C, após a realização do ensaio nº3 ............................................... 123 Figura 4.59 – Efeito barreira durante o ensaio nº3, no modelo físico .......................................................... 125 Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos xvi Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos xvii ÍNDICE DE TABELAS Tabela 2.1 – Velocidade crítica de bombagem em função do diâmetro do tubo e do tipo de areia. Adaptado, Bezuijen e Vastenburg, 2013 ................................................................................................ 24 Tabela 2.2 - Capacidade de bombagem em função do diâmetro do tubo e do tipo de areia, para as diferentes velocidades de bombagem, para um rácio de 1:5 Adaptado, Bezuijen e Vastenburg, 2013……... ............................................................................................................................................. 24 Tabela 2.3 – Dimensões e forma do cilindro em geotêxtil para várias percentagens de enchimento. Adaptado de Bezuijen e Vastenburg, 2013 ............................................................................................ 29 Tabela 3.1 - Distâncias entre os pontos fixos de referência e a crista da arriba da duna, em metros. . 69 Tabela 3.2 – Diferenças entre distâncias, em metros ............................................................................ 70 Tabela 4.1 - Representação Sumária da análise estatística de Coelho, 2005, adaptado de Neves, 2011 ........................................................................................................................................................ 84 Tabela 4.2 – Nº de ocorrências em cada quadrante, durante o tempo de registo, adaptado Coelho, 2005 ........................................................................................................................................................ 85 Tabela 4.3 - Síntese dos parâmetros hidrodinâmicas no Protótipo ....................................................... 85 Tabela 4.4 – Definição das escalas ....................................................................................................... 88 Tabela 4.5 - Comprimento, à escala, da estrutura aderente ................................................................. 90 Tabela 4.6 – Comprimento do modelo na Atividade Laboratorial .......................................................... 90 Tabela 4.7 - Comprimento do perfil da Praia a uma escala de 1/21 ...................................................... 91 Tabela 4.8 - Altura do cordão dunar ...................................................................................................... 91 Tabela 4.9 – Condições Hidrodinâmicas no Protótipo e no Modelo ...................................................... 92 Tabela 4.10 – Resumo do plano de ensaios .......................................................................................... 94 Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos xviii Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos xix SÍMBOLOS, ACRÓNIMOS E ABREVIATURAS SÍMBOLOS LETRAS LATINAS MAIÚSCULAS B – base do Cilindro [m] C – Carga admissível sob a estrutura [kN/m] Cu – Coeficiente de uniformidade [-] Dméd – diâmetro médio dos grãos de areia [mm] Dk – espessura efetiva do cilindro [m] Dn – diâmetro nominal do cilindro [m] D10 – diâmetro pelo qual passa 10% dos grãos de areia [mm] D20 – diâmetro pelo qual passa 20% dos grãos de areia [mm] D30 – diâmetro pelo qual passa 30% dos grãos de areia [mm] D40 – diâmetro pelo qual passa 40% dos grãos de areia [mm] D50 – diâmetro pelo qual passa 50% dos grãos de areia [mm] D60 – diâmetro pelo qual passa 60% dos grãos de areia [mm] D70 – diâmetro pelo qual passa 70% dos grãos de areia [mm] D80 – diâmetro pelo qual passa 80% dos grãos de areia [mm] D90 – diâmetro pelo qual passa 90% dos grãos de areia [mm] F – fator de segurança sob ação das correntes [-] L – comprimento de onda [m] H – altura do cilindro [m] HS – altura significativa da onda [m] O90 – tamanho dos poros do geotêxtil, para qual corresponde D90 no geotêxtil [mm] R – raio teórico da circunferência do cilindro com uma percentagem de enchimento de 100% [-] S – carga aplicada na estrutura [kN/m] T – força de tensão no geotêxtil [kN/m] Tp – período de pico [s] X – fator de forma [-] LETRAS LATINAS MINÚSCULAS b – largura estimada do cilindro [m] c – concentração de areia na mistura inicial [m3/m3] d – profundidade do nível de água [m] Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos xx f – percentagem de enchimento do cilindro [-] g – aceleração da gravidade [m2/s] h – altura estimada do cilindro [m] l – comprimento do cilindro [m] n – porosidade do material de enchimento [-] p – pressão exercida pelo material de enchimento [Kn/m2] r – raio de curvatura num ponto aleatório do geotêxtil [m] vsed – velocidade de sedimentação [m/s] LETRAS GREGAS MAIÚSCULAS Δ – densidade relativa do material de enchimento [-] Δn – densidade relativa do cilindro [-] Δt – tempo de duração do ensaio [min] Χ – fator corretivo referente ao galgamento da estrutura [-] LETRAS GREGAS MINÚSCULAS β – ângulo da fundação do cilindro [º] γ – fator de segurança associado a segurança dos cilindros[-] ξ – número de Ibarren [-] θ – ângulo de incidência da onda [º] ρ´– peso volúmico relativo do cilindro [-] ϕ – coeficiente de atrito entre o cilindro e a base [-] ϕtubo – diâmetro do tubo de enchimento [m] μcr – velocidade crítica do fluxo de água [m/s] ν – viscosidade cinemática da água [m2/s] ω0 – velocidade de queda de um grão singular [m/s] ACRÓNIMOS FEUP – Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto IGESPAR – Instituto de Gestão do Património Arquitetónico e Arqueológico NMAM – Nível Médio das Águas do Mar N – Norte NW – Noroeste Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos xxi POOC – Plano de Ordenamento da Orla Costeira PMAV – Preia-Mar de Águas Vivas S – Sul SW – Sudoeste W –Oeste WNW – Oeste-Noroeste WSW – Oeste-Sudoeste UV – Ultra-Violeta Z.H. – Zero Hidrográfico ABREVIATURAS Eq. – Equação min. – Minutos Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 6 Figura 2.1 – Esporões no Furadouro (Veloso Gomes, 2007) Figura 2.2 – Campo de Esporões em Quarteira (fonte: http://www.skyscrapercity.com/archive/index.php/t693806.html, 2011) Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 7 Figura 2.3 – Estrutura longitudinal aderente (paredão) na Praia da Granja (fonte: Google Maps) Figura 2.4 – Quebramar Destacado na Praia da Aguda (fonte: Google Maps) Aliadas a este tipo de estruturas existem situações em que se recorreu a uma alimentação artificial de praias, com a areia que foi removida por agentes erosivos, como as ondas e as correntes. De salientar que este tipo de intervenção é considerado por alguns como “soft”. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 8 Na figura 2.5, pode observar-se a ação de alimentação artificial de uma praia, neste caso em Portimão. Figura 2.5 – Alimentação Artificial com areias dragadas em Portimão (Veloso Gomes, 2007) Apesar de serem estruturas com uma necessidade de manutenção mais reduzida e com um período útil de vida bastante alargado, este tipo de soluções acarreta custos elevados de execução e, apesar de solucionar o problema numa zona, vai transferi-lo para as zonas subsequentes (no caso dos esporões), visto que esta estrutura serve de barreira aos sedimentos e, assim, estes, quase na sua totalidade ou mesmo na sua totalidade não conseguem ultrapassá-la. De referir que, no caso dos paredões, estes inviabilizam a possibilidade de acreção na zona frontal da estrutura, tendo a sua utilização um impacte bastante negativo. De modo a combater estas desvantagens, e como não se prevê a diminuição da atividade humana no litoral, nem é expectável que haja o desaparecimento das causas que levam à escassez de sedimentos (das Neves, 2011), tem-se recorrido a estruturas chamadas de “soft” para tentar alterar a prática comum no que diz respeito à defesa costeira. Estas técnicas são chamadas de “soft”, uma vez que são constituídas com processos naturais, dependendo destes elementos para a prevenção ou mesmo a redução da ação instituída pelas diversas forças erosivas em ação ao longo da costa. Os materiais geossintéticos têm sido utilizados cada vez mais com carácter permanente na defesa costeira e nos próximos subcapítulos, apresentar-se-á um maior desenvolvimento deste assunto. 2.2. CONSIDERAÇÕES SOBRE O USO DE GEOSSINTÉTICOS Apesar da utilização deste tipo de material já remontar à década de 50, de acordo com a bibliografia disponível, só num passado muito recente é que voltou a despertar interesse em maior escala (das Neves, 2011). Antes só se usava este tipo de solução para obras de carácter de emergência e temporário, onde não havia risco humano, em regimes com ondas de baixa energia e marés com baixa amplitude ou então, como um filtro em revestimentos; era, portanto, uma opção considerada pouco válida pelos diversos projetistas, face a soluções convencionais. Persiste ainda uma falta de critério em comparação com a aplicação de materiais pétreos ou de betão, e não existe o know-how, ou seja, o saber adquirido em experiências semelhantes e a falta de avaliação de estabilidade com o recurso a formulações de cálculo que tenham em conta a forma dos elementos estruturais, como é o caso da Fórmula de Hudson. A incerteza ou a ineficácia e a instabilidade perante condições de agitação Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 9 marítima severa, como é o caso da costa noroeste Portuguesa, limitam o recurso a este tipo de intervenções. O recurso a geossintéticos apresenta um vasto leque de vantagens em relação a estruturas do tipo “hard”, por serem consideradas soluções amigas do ambiente, dependerem de um elemento natural e serem capazes de diminuir os problemas recorrentes de erosão com um impacte bastante limitado e não permanente nos processos costeiros naturais. Outra das vantagens associada a estes materiais é a sua facilidade de instalação, não necessitando de um elevado número de máquinas para a sua operação, se compararmos por exemplo, a um quebramar destacado, que necessita do recurso a batelões para deposição do material rochoso. No entanto, é necessário realçar que os materiais geossintéticos são materiais artificiais relacionados com a petroquímica e que, para o mesmo nível de eficácia, os impactes negativos das estruturas executadas com estes materiais poderão ser semelhantes aos de outras estruturas executadas com pedra ou betão. Existem alguns problemas em relação a estruturas de defesa com materiais geossintéticos, não só aliados a questões de estabilidade e de incerteza de comportamento, mas também devido a limitações do próprio material geossintético. Desde logo, a possibilidade de ser perfurado/rasgado, o que levará a uma má retenção do material de preenchimento podendo colapsar a estrutura. Este tipo de ações podem ocorrer devido a descuidos inconscientes, (por exemplo, os pescadores criarem “buracos” para colocar as respetivas canas de pesca), devido a atos de vandalismo, presença de elementos pétreos em contato direto, ou através de descuidos na altura da colocação do material geossintético. A exposição aos raios UV pode também limitar o tempo de vida útil da estrutura e, finalmente, a dificuldade aquando da construção de conseguir um alinhamento preciso e de cota da crista. Uma aplicação mais frequente deste tipo de material ainda requer uma investigação mais profunda, aliada a uma necessidade de experimentação em diversas condições climáticas e hidrodinâmicas, apesar de existirem já bastantes estudos sobre esta matéria. Atualmente registam-se progressos no sentido de minimizar os aspetos de carácter negativo, destas estruturas, nomeadamente, o aumento da resistência a abrasão, o uso de estabilizadores e aditivos para melhorar o geotêxtil e um desenvolvimento significativo na avaliação da durabilidade e tempo de vida da estrutura (das Neves, 2011), provocando um maior grau de eficiência dos geossintéticos na preservação e manutenção de praias, assim como na proteção da costa litoral, que se encontra, graças a diversos fatores, em risco. Em suma, dadas as enormes vantagens potenciais que este tipo de solução apresenta, existem grandes oportunidades de apostar na sua introdução cautelosa em casos reais, começando em locais com níveis de risco razoavelmente reduzidos, de modo a que se consiga adquirir a experiência essencial para a sua instalação e comportamento em condições de agitação mais elevadas. 2.3. DIVERSIFICAÇÃO NO USO DE GEOSSINTÉTICOS EM ENGENHARIA COSTEIRA 2.3.1. ENQUADRAMENTO Conforme referido na secção 2.2, o uso de materiais geossintéticos já remonta aos anos 50, nomeadamente em obras temporárias, de carácter emergente ou como complemento de alguma outra estrutura de defesa costeira, como esporões, recifes artificiais e paredões. Recorre-se, cada vez mais, a este tipo de solução como estrutura permanente, havendo bastantes casos de aplicação a nível mundial, como será referido posteriormente ao longo deste segundo capítulo. Os geotêxtis podem ser aplicados em duas categorias (das Neves, 2011), ou seja, podem constituir sistemas fechados, isto é, todas as unidades/formas são fechadas, preenchidas com areia, cascalho ou mesmo com argamassas, como os sacos, cilindros e contentores, feitos com recurso a geotêxtil, ou Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 10 então com geossintéticos estanques como as geomembranas. Ou são ancorados em ambas as extremidades, com capacidade para reter o solo ou a água (das Neves, 2011) Em relação aos sistemas fechados, no caso de serem preenchidos com areia, costumam ser chamados elementos de geotêxtil encapsulados com areia, sendo elementos tridimensionais fabricados com materiais têxteis, formando um subgrupo de um leque de soluções em geossintéticos que permite o controlo de erosão costeira (Bezuijen e Vastenburg, 2013). Estes elementos em geotêxtil podem ser aplicados numa vasta panóplia de estruturas de engenharia hidráulica, como diques, barragens e quebramares, sendo uma alternativa à solução comum em pedra. Eles também podem ser propostos para proteção de fundos ou como preenchimento de efeitos localizados de erosão. O recurso a este tipo de elementos é deveras muito abrangente, não só tendo em atenção o que foi dito no subcapítulo anterior, mas por outros fatores como, não ser necessário recorrer ao uso da pedra, e, portanto não haver preocupação em relação à sua extração e respetivo transporte, podendo utilizar-se os materiais que existirem no local. De notar que a areia é um dos materiais mais baratos na construção e pode ser facilmente encontrada em grandes quantidades. A areia também é mecânica e volumetricamente estável e as suas propriedades são facilmente previstas. (Bezuijen e Vastenburg, 2013). Existem diversas aplicações deste tipo de elemento, algumas das quais alguns podem ser vistas através da Figura 2.6 Figura 2.6 – Alguns conceitos do uso de Elementos geotêxtil encapsulados com areia (das Neves, 2011) Seguidamente, são apresentados pequenos textos com referência a algumas técnicas do uso de geossintéticos na engenharia costeira, com destaque especial para os cilindros que constituem o núcleo mais relevante na elaboração desta tese de mestrado. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 11 2.3.2. GEOSSINTÉTICOS COMO FILTROS EM REVESTIMENTOS E CAMADAS DE PROTEÇÃO Os geossintéticos podem ser empregues como elementos encapsulados, utilizando-se eficazmente como drenos e filtros em obras de engenharia, conjuntamente ou em substituição dos materiais granulares tradicionais. Estes materiais são mais fáceis de instalar em obra e, geralmente, apresentam um custo benéfico, mostrando-se uma alternativa quando os materiais granulares disponíveis não cumprem os requisitos do projeto, quando existem em pouca quantidade no local desejado ou cuja utilização está restringida por legislação ambiental. Graças ao entusiasmo existente, é compreensível que na engenharia costeira o seu uso tenha cada vez mais defensores, surgindo naturalmente mais bibliografia sobre o dimensionamento e instalação dos geossintéticos como filtros em estruturas de defesa costeira. De referir que o dimensionamento de um filtro tem de ser cada vez mais criterioso de modo a que seja garantido não só a sua qualidade, como também a resistência a possíveis condições severas de agitação locais. A função deste material é equivalente a qualquer outro tipo de filtro, ou seja, proteger a camada de material ou o solo subjacente, de modo a prevenir a erosão pelos vários agentes erosivos, como ondas, correntes e marés. Estes filtros sintéticos em geotêxtil têm vindo, de forma gradual, a substituir os tradicionais filtros granulares em variadas aplicações, garantindo vantagens e eficiência. Porém, a sua aplicação não é somente substituir um material pelo outro, pois são materiais que têm exigências distintas e comportamentos divergentes que deverão ser adequadamente aferidos. De facto, a sua incorreta colocação pode levar a que o filtro geotêxtil gere instabilidade nos restantes elementos estruturais (das Neves, 2003). Não é de todo recomendável a substituição de um filtro granular por um filtro sintético em geotêxtil, pois comparando a redução das cargas hidrodinâmicas sobre a estrutura, este não é tão eficaz como os filtros granulares, visto que estes últimos ajudam na dissipação da energia do escoamento. Para além da filtragem os geotêxtis desempenham, de uma forma bastante consistente, funções de separação, prevenção de erosões no solo de fundação e reforço de solos, entre outras. Apresentam-se a seguir as principais vantagens (das Neves, 2003):  Redução do número de camadas e do volume de material granular dos materiais granulares de filtro,  Boas características e propriedades para o desempenho das funções de filtro;  Filtros eficazes mesmo para solos finos sujeitos a alta turbulência;  Fácil instalação, contrapondo os sistemas mais tradicionais;  Reduzida manutenção e baixo custo;  Bom comportamento a longo prazo; As características funcionais, que se deve exigir aos geotêxteis assim como os critérios de resistência, são os seguintes (das Neves, 2003):  Elevada permeabilidade e qualidades apropriadas de filtragem;  Estabilidade de uma malha de fibras;  Resistência à danificação durante a construção;  Flexibilidade;  Ângulo de atrito na interface solo/geotêxtil;  Resistência aos raios UV; Os processos de dimensionamento deste tipo de solução são mais sólidos do que outrora foram; isto advém de uma larga experiência adquirida, com tentativas erradas, permitindo uma viabilidade no que diz ao respeito à estrutura final, tanto a nível técnico como de segurança. Esta metodologia de Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 12 dimensionamento, é ainda executada de uma forma semi-empírica, pelo que o seu recurso à modelação física é necessária para garantir a exequibilidade da solução, tendo sempre em atenção os problemas que poderão surgir inesperadamente nas fases de construção e/ou exploração (das Neves, 2003). Sendo que os objetivos pretendidos para este dimensionamento do filtro são (das Neves, 2003):  Prevenir a migração de partículas das camadas subjacentes para os interstícios das camadas superiores o que poderia levar a criação de espaços vazios nas camadas inferiores o que poderia resultar a ocorrência de assentamentos diferenciais ou mesmo abaixamento da cota de coroamento da estrutura.  Distribuição do peso da estrutura através da utilização de uma base de regularização que poderá incorporar uma proteção de pé de talude;  Redução das cargas hidrodinâmicas nas camadas exteriores da estrutura. De notar que, o processo de dimensionamento de um filtro em geotêxtil vai para além do tema em questão nesta dissertação, pelo que, para uma melhor análise deste tema se recomendam as seguintes referências: das Neves (2003) e Pilarczyk, (2000). Além dos critérios de dimensionamento, devem ser adequadamente planeados os métodos de construção, exploração e manutenção, uma vez que, em qualquer uma destas fases, poderão ocorrer alguns problemas no material que podem levar ao cessar das suas funções, assim como da própria estrutura. A Figura 2.7, representa a colocação de um filtro em geotêxtil, em ambiente costeiro, nos Estados Unidos, precisamente em Nahant Beach, Massachusetts. Figura 2.7 – Colocação de um filtro em geotêxtil (Fonte: TenCate, 2012) Como apreciação final, refere-se que os revestimentos e camadas de proteção são tradicionalmente executados usando um filtro granular, porém, novas técnicas recorrem à construção de uma camada única de geotêxtil o qual é criteriosamente selecionado, de modo a assegurar as propriedades fundamentais, tanto do ponto de vista mecânico como hidráulico. Este material geossintético é mais rápido e fácil no seu processo de instalação se comparado com o material granular. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 13 2.3.3. ELEMENTOS EM GEOTÊXTIL PREENCHIDOS COM AREIA 2.3.3.1. SACOS EM GEOTÊXTIL Uma das opções, no que diz respeito à proteção de um sistema dunar, é utilizar sacos em geotêxtil. Estes também são usados numa variedade de outras estruturas, de carácter temporário ou permanente. São exemplos da sua aplicação os esporões, quebramares e recifes artificiais. A Figura 2.8, representa uma sequência num caso prático desta aplicação para uma estrutura aderente. As Figuras 2.9, 2.10 e 2.11, mostram exemplos de aplicação prática de um esporão, realizado em Angola e uma estrutura aderente na zona de Waihi Beach na Nova Zelândia. Vista Inicial da praia Erosão no local, devido à ação de uma tempestade pondo em perigo a via existente Encerramento da Praia Preparação da base para a estrutura aderente Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 14 Enchimento dos sacos em geotêxtil Colocação dos sacos em geotêxtil Estrutura parcialmente concluída Colocação dos sacos perto da rampa de acesso a praia Estrutura aderente concluída e pronta para Revestimento da estrutura aderente ser revestida Figura 2.8 – Sequência alusiva ao uso de sacos em geotêxtil (Fonte: http://www.coastsandports.com.au/gallery/breakwaters.shtml, 2010) Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 15 Figura 2.9 – Esporão realizado com sacos em geotêxtil em Saimpem, Angola (Bezuijen e Vastenburg, 2013) Figura 2.10 e Figura 2.11 – Instalação de uma estrutura em sacos em geotêxtil e respetiva finalização, Waihi Beach, Nova Zelândia (Elcorock ®, 2009) Os sacos em geotêxtil são normalmente preenchidos com areia, sendo que algumas vezes recorre-se a argamassa ou a rocha, e detêm volumes a variar entre os 0.3m3 e os 10m3 (Bezuijen e Vastenburg, 2013). Estas suas dimensões, em comparação com outras soluções do género, faz com que a estrutura tenha um custo mais elevado, devido, não só ao trabalho intensivo que é necessário para o preenchimento, como uma maior facilidade de remoção em condições mais severas de agitação. Segundo, Bezuijen e Vastenburg 2013, e citando CUR, 2004, o enchimento e a colocação dos sacos de geotêxtil, envolve uma percentagem entre 45-75% do custo total de uma estrutura deste tipo de situação. Portanto uma otimização do seu enchimento e do consequente processo de instalação baixa o custo que as estruturas em sacos de geossintéticos têm, tornando-se vital no uso deste tipo de solução. O seu uso tem algumas vantagens, consoante o local onde está a ser usado, tais como (Bezuijen e Vastenburg, 2013):  Não há necessidade de usar uma proteção em pedra;  A estrutura pode ser percorrida por um indivíduo (conforme visto na Figura 2.11);  Os sacos de geotêxtil podem ser colocados envolvendo outras estruturas, com baixo risco de danificar a estrutura; Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 22 Figura 2.19 – Bombagem de um cilindro em geotêxtil (Bezuijen e Vastenburg, 2013). Figura 2.20 – Equipamento para conter o cilindro em geossintéticos (Bezuijen e Vastenburg, 2013). Uma forma comum para designar a percentagem de enchimento é o quociente entre a área do cilindro depois da fase de enchimento pela área prevista teoricamente para um enchimento do cilindro de 100%. Por questões de manuseamento em campo, é costume existir uma relação por peso em vez de áreas, sendo que, quando estes valores forem diferentes, é essencial indicar qual o parâmetro em que a percentagem de enchimento é baseado. A criação de uma estrutura em cilindros está, portanto, dependente de todo o processo de enchimento e é durante esta fase que são exercidas as maiores forças no geotêxtil. Assim, tornam-se essenciais os conceitos de capacidade de bombagem e de velocidade de enchimento para compreender este conceito (Bezuijen e Vastenburg, 2013). Aquando do procedimento de instalação, há que ter em atenção os pontos fracos de um cilindro em geossintéticos e as zonas onde se encontram as costuras e as sobreposições, caso se execute uma estrutura com mais de uma camada (layer), mantendo no mínimo estas zonas e garantindo uma correta monitorização das mesmas. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 23 2.4.2.1. CAPACIDADE E VELOCIDADE DE BOMBAGEM A mistura de água e areia que se destina ao cilindro é geralmente colocada com recurso a uma tubagem de pressão, ilustrada na Fig. 2.21, havendo, assim, uma relação entre o diâmetro deste com a velocidade e a sua capacidade de bombagem. Figura 2.21 – Equipamento de Bombagem (Fonte: http://www.caterinasupply.com/Special%20Products.htm) A capacidade de bombagem indica a quantidade de areia que se encontra a encher o equipamento de bombagem, num determinado período de tempo e está relacionada com um determinado número de variáveis, tais como, a velocidade de bombagem, o diâmetro do tubo de enchimento, o comprimento do respetivo tubo e a resistência exercida pelo tubo que tem de ser ultrapassada. A velocidade de bombagem está diretamente relacionada com o diâmetro do tubo e a qualidade da areia a ser usada para o processo de enchimento. O processo mais simples para avaliar o diâmetro médio dos grãos de areia Dméd , é formulado na Eq. 1: 𝐷𝑚é𝑑 =𝐷10 +𝐷20+𝐷30+𝐷40+𝐷50+𝐷60+𝐷70+𝐷80+𝐷90 9 (1) Depois de determinado o diâmetro médio dos grãos e recorrendo a um diâmetro apropriado para o tubo (Φtubo), pode definir-se a velocidade crítica de bombagem, ou seja, calcular qual a velocidade mínima para qual não haja deposição de areia no tubo. Através do trabalho de Führboter et al., referido em Bezuijen e Vastenburg 2013, foi desenvolvido uma forma, de carácter experimental, de determinar a velocidade crítica de bombagem para diferentes valores de diâmetro da tubagem, assim como o diâmetro médio do grão. Na tabela 2.1 pode ver-se a velocidade crítica de bombagem, em função dos parâmetros acima mencionados. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 24 Tabela 2.1 – Velocidade crítica de bombagem em função do diâmetro do tubo e do tipo de areia. Adaptado, Bezuijen e Vastenburg, 2013. Dméd areia em μm Tipo de areia Φ tubo em m 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 100 Fina 2.40m/s 2.59m/s 2.77m/s 2.94m/s 3.10m/s 200 Razoavelmente Fina 3.09m/s 3.34m/s 3.57m/s 3.78m/s 3.99m/s 300 Razoavelmente Grossa 3.43m/s 3.71m/s 3.96m/s 4.20m/s 4.43m/s Na prática, é comum utilizar uma velocidade mínima de bombagem 0.5 m/s superior à velocidade crítica de bombagem, sendo que, velocidades mais elevadas não são aconselhadas, pois implicam um maior custo energético e levam a um maior desgaste do tubo. Através da Tabela 2.2, pode encontrar-se, para um rácio de areia e água de 1:5, diferentes capacidades de bombagem para as diferentes velocidades críticas de bombagem representadas na tabela anterior acrescidas de 0,5 m/s. Tabela 2.2 – Capacidade de bombagem em função do diâmetro do tubo e do tipo de areia, para as diferentes velocidades de bombagem, para um rácio de 1:5 Adaptado, Bezuijen e Vastenburg, 2013. Dméd areia em μm Tipo de areia Φ tubo em m 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 100 Fina 148m3/h 214m3/h 296m3/h 394m3/h 509m3/h 200 Razoavelmente Fina 183m3/h 266m3/h 368m3/h 490m3/h 634m3/h 300 Razoavelmente Grossa 200m3/h 291m3/h 403m3/h 538m3/h 697m3/h 2.4.2.2 MATERIAL DE ENCHIMENTO Como dito anteriormente, os cilindros de geossintéticos podem ser preenchidos com recurso a areia ou a outro material granular, porém, é mais frequente recorrer à areia por ser muito mais fácil de obter no local onde decorre a atividade. Fatores como a densidade do material arenoso e a distribuição do tamanho dos grãos são de carácter importantíssimo para todo o processo de conceção de uma estrutura em cilindros. Ao ser utilizada areia que contenha grande número de finos, o processo de consolidação associado ao cilindro de geossintético ocorrerá mais lentamente (Bezuijen e Vastenburg, 2013). Na escolha do geotêxtil, a permeabilidade também influencia este processo. Quando a bombagem da mistura de água e areia é colocada no cilindro, a areia irá depositar-se, enquanto que a água irá sair pelos poros do tecido, graças à permeabilidade destes e pelas diferentes Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 25 entradas onde ocorre a bombagem. Para determinar o tempo que a areia demora a depositar-se, determina-se a velocidade sedimentação (υsed) (m/s), apresentado na Eq.2. Esta equação é apresentada por Van Rhee, 2002 para situações onde o enchimento do cilindro é executado por uma tremonha. . 𝜐𝑠𝑒𝑑 =𝜔0∗𝑐∗(1−𝑐)4 1−𝑛−𝑐 (2) Onde, n significa a porosidade do material de enchimento, neste caso a areia, ω0 representa a velocidade de queda de grão singular (m/s) e c , representa a concentração de areia na mistura inicial (m3/m3). Há que ter em referência que esta formulação não tem em conta a erosão que pode ocorrer na camada arenosa na altura da deposição e despreza a água que é perdida nos poros dos grãos de areia. A velocidade de sedimentação vai ser superior no início de todo o processo de enchimento, visto que a velocidade de enchimento é superior e vai decrescendo ao longo que ocorre o enchimento do cilindro (Bezuijen e Vatenburg, 2013). . A velocidade de queda pode ser calculada com recurso a lei de Strokes (Bezuijen e Vastenburg, 2013), apresentado na Eq. 3. 𝜔0=𝑋∗𝛥∗𝑔∗𝐷𝑚𝑒𝑑 2 18∗ 𝜐 (3) Em que, X representa um fator de forma, com o valor recomendado de 0.7 por Van Rhee, 2002 citado em Bezuijen e Vastenburg 2013. Δ corresponde a densidade relativa do material de enchimento, Dmed é o diâmetro médio do grão de areia (m) conforme foi explícito na Eq. 1, e υ é a viscosidade cinemática da água (m2/s). Todavia, desde que o geotêxtil apresente uma permeabilidade idêntica à da areia, a velocidade de sedimentação vai ser superior ao formulado na Eq. 2, pois assim existem duas hipóteses por onde a água poderá ser drenada, em vez de uma como na formulação anterior. Para se garantir uma boa capacidade de retenção pelo material geossintético de modo a não prejudicar a otimização do procedimento de drenagem da água, podemos recorrer à seguinte equação (Eq.4) encontrada em CUR, 2006 e citado por das Neves (2011) e Kriel (2012). 𝑂90 ≤1.5∗𝐷10 ∗𝐶𝑢 0.5 (4) 𝐶𝑢=𝐷60 𝐷10 (5) Onde 𝑂90 representa a abertura no geotêxtil a qual 90% dos grãos de areia passam pelo geotêxtil e 𝐶𝑢 corresponde a um coeficiente de uniformidade apresentado na Eq.5. Quando o material geossintético for muito largo, pode levar à perda de grãos de areia e, caso seja muito apertado, pode levar a excessos de pressão no material, levando à rutura deste. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 26 2.4.3 DIMENSIONAMENTO O processo de dimensionamento de um cilindro em geossintéticos é um processo moroso e precisa de muito cuidado, pois tem de se encontrar a melhor solução possível para as diferentes situações que podem surgir em projeto. Na Fig. 2.22 é possível observar um esquema com as considerações mais gerais que se podem encontrar para o dimensionamento de um qualquer elemento em geotêxtil encapsulado com areia. Figura 2.22 – Sequência iterativa para a conceção de um elemento em geotêxtil encapsulado adaptado de Bezuijen e Vastenburg, 2013. Inicialmente, neste processo de conceção há que estabelecer todos os requisitos funcionais e técnicos deste tipo de aplicação, nomeadamente a função do elemento, as condições ambientais e o orçamento a cumprir. Seguidamente, estabelecer as principais dimensões que a estrutura terá, e definir o tamanho Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 27 dos diversos elementos que constituem a estrutura em si, sendo que o projetista tem de se basear não só na sua experiência adquirida,mas também na viabilidade construtiva da estrutura, na viabilidade económica e a sua área de aplicação. (Bezuijen e Vastenburg, 2013) Para o dimensionamento da futura estrutura, pode recorrer-se a várias formulações que têm como base vários trabalhos experimentais, tal como as executadas por Van Steeg e Vastenburg (2010), onde, através do seu trabalho estudaram a estabilidade dos cilindros e a possível migração da areia dentro destes, durante a ação direta das ondas em modelos com larga escala (das Neves, 2011). Através destes resultados os autores obtiveram uma relação para um determinado cilindro em função da largura da sua base 𝐵, a altura do mesmo 𝐻, o ângulo da fundação do cilindro 𝛽, a altura significativa da onda 𝐻𝑠, o coeficiente de atrito entre o cilindro e a base 𝜙, o peso volúmico relativo do cilindro 𝜌′, associado a um fator corretivo referente ao galgamento sobre a estrutura 𝜒, assumindo para tal que o deslocamento máximo do cilindro durante uma tempestade de cerca de 1000 ondas corresponde a 5% da largura do mesmo (das Neves, 2011). A Eq. 6, representa a relação obtida. 𝐻𝑠∗𝜒 𝜌′∗√𝐵∗𝐻∗(𝜙cos𝛽+sin𝛽) ≤0.65 (6) Previamente, a Van Steeg e a Vastenburg, já Wouters (1998) tinha desenvolvido uma fórmula para a estabilidade dos cilindros de geossintéticos, baseando-se em dados experimentais de outros autores como Porraz (1979). A Eq.7 representa a formulação de Wouters, onde 𝐻𝑠, é a altura de onda significativa, 𝜌′ o peso volúmico relativo do cilindro, 𝐷𝑛, é o diâmetro nominal do cilindro e 𝜉 o número de Ibarren, factor que se associa a rebentação da onda. 𝐻𝑠 𝜌′∗𝐷𝑛= 2.0 √𝜉 (7) Outros trabalhos, como Omerucci et al., (2002) e Antunes do Carmo et al., (2009), têm como base a formulação de Wouters, estando representadas respetivamente nas Eq. 8, e Eq. 9. 𝐻𝑠 𝜌′∗𝐷𝑛= 2.75 √𝜉 (8) 𝐻𝑠 𝜌′∗𝐷𝑛= 2.5 √𝜉 (9) Por conseguinte, deve avaliar-se a existência de uma ou mais camadas (layers) que a estrutura final terá. A existência de uma única tem-se mostrado mais segura, mesmo tendo de recorrer a diâmetros Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 28 consideravelmente superiores, segundo Bezuijen e Vastenburg, 2013. Contudo, uma estrutura com mais do que uma camada é exequível, mas necessitará de maior volume de espaço e de cuidado na sua instalação. Para avaliar a quantidade de elementos que é necessária para um determinado projeto, há que ter a disponibilidade de saber as dimensões que o cilindro terá depois do seu enchimento; uma estimativa inicial das dimensões e da forma deste quando cheio, pode ser calculada através das seguintes formulações (Bezuijen e Vastenburg, 2013), apresentadas nas Eq. 10, e Eq. 11. ℎ ≥(1−√1−𝑓)∗ 𝐷 (10) 𝑏≤ℎ+1 2∗𝜋∗(𝐷−ℎ) (11) Onde h representa a altura estimada do cilindro preenchido (m), f enuncia a percentagem de enchimento, D indica a o diâmetro do cilindro com um enchimento total (m) e finalmente b , representa a estimativa da largura do cilindro preenchido (m). Na Figura 2.23, encontram-se representado as variáveis para melhor compreender o seu significado. Figura 2.23 – Estimativa inicial dos elementos de um cilindro em geotêxtil adaptado de Bezuijen e Vastenburg, 2013 Pode, inclusive, recorrer-se à tabela 2.3, sendo que esta mostra as dimensões do cilindro para percentagens de enchimento entre 60% a 100%, em função do raio da circunferência de um cilindro com uma percentagem de enchimento de 100% (Bezuijen e Vastenburg, 2013). Esta tabela é resultante do trabalho de Bezuijen e Van Steeg (2009). Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 29 Tabela 2.3 - Dimensões e forma do cilindro em geotêxtil para várias percentagens de enchimentoo (adaptado de Bezuijen e Vastenburg, 2013) f (-) b (m) h (m) 1,00 2,00R 2,00R 0,95 2,28R 1,39R 0,90 2,40R 1,42R 0,85 2,49R 1,29R 0,80 2,56R 1,17R 0,75 2,63R 1,07R 0,70 2,69R 0,98R 0,65 2,74R 0,89R 0,60 2,79R 0,81R Onde R representa o raio teórico da circunferência com uma percentagem de enchimento de 100%. Outro elemento chave para definir uma estrutura deste género é a escolha do material geossintético a usar, ou seja, tem de permitir que água consiga sair de dentro do cilindro mas também que previna a saída da areia. A resistência à tensão, designadamente a exercida pela ação das cargas na altura do enchimento, é também fundamental na escolha do geotêxtil. Segundo Bezuijen e Vastenburg (2013), para escolher material geossintético, a utilizar este deve respeitar as seguintes exigências:  Ser suficientemente permeável;  Impedir saída de areia do seu interior;  Resistir às pressões exercidas na fase de enchimento;  Resistir às ações localizadas, como vandalismo e o rasgar em zonas críticas;  Resistir à radiação UV. 2.4.4 MECANISMOS DE RUTURA E CONSIDERAÇÕES SOBRE A SEGURANÇA EM CILINDROS DE GEOSSINTÉTICOS Na conceção de uma aplicação deste tipo de estrutura há que ter em consideração os diversos mecanismos de rutura que podem ocorrer na estrutura. Segundo das Neves (2011) há que ter em consideração que esta rutura poderá acontecer, graças a ações internas do geotêxtil ou devido a ações externas, exercidas por cargas que estão diretamente aplicadas. Exemplos de roturas que podem acontecer são as seguintes (por exemplo, das Neves, 2011 e Bezuijen e Vastenburg, 2013):  Rutura do geotêxtil devido a um excesso de pressão aquando da altura do enchimento;  Rutura do geotêxtil devido a uma insuficiência da capacidade de resistência das costuras;  Rolamento do cilindro em geotêxtil, na altura do enchimento;  Instabilidade do cilindro, quando sujeito a ação direta das ondas;  Erosão da fundação do geotêxtil; Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 30  Perda do material de enchimento pelo tecido geossintético;  Migração da areia no interior do cilindro. Estes modos de rutura são provocados pela ação de vários fatores, que então põem em questão a estabilidade hidráulica destes sistemas. Alguns destes fatores, segundo das Neves (2011):  Modo de posicionamento (Sobreposição de elementos e orientação segundo a direção da onda);  Percentagem de enchimento;  Coeficiente de atrito;  Inclinação do talude de fundação;  Condições de ondas locais, que atuam diretamente sobre a estrutura. Tendo em conta estes modos de rutura, há que garantir que a estrutura reúna todos os requisitos para durar o seu período de vida projetado, e portanto há que diminuir a possibilidade de ocorrência destes fenómenos de debilidade. Todavia, e ao contrário de um outro tipo de estruturas de defesa costeira, para os elementos em geotêxtil confinados com areia, ainda não foi desenvolvido um extensivo método probabilístico que possa ser usado com confiança (Bezuijen e Vastenburg, 2013). 2.4.5 OUTROS ASPETOS NO DIMENSIONAMENTO Depois de concluído o cálculo das principais dimensões e respetivos tamanhos dos elementos da futura aplicação em cilindros de geossintéticos, há que avaliar alguns parâmetros que podem ser constatados através da Figura 2.22, a força de tensão necessária do geotêxtil e a resistência que este tem de possuir quando em contacto direto com o impacte das ondas e ação das correntes marítimas. 2.4.5.1 FORÇA DE TENSÃO REQUERIDA Para que se garanta uma correta aplicação desta técnica é necessário que o geotêxtil tenha robustez suficiente para conseguir resistir a todas as cargas que ocorrem durante a fase de instalação, ou seja, quando se executa o enchimento do cilindro. Para determinar a carga máxima a que o próprio geotêxtil resiste , há que estabelecer a percentagem de enchimento deste e saber a forma que este terá depois de concluído a fase de enchimento (Bezuijen e Vastenburg, 2013). O método de análise desta questão é baseado na suposição de não existir transferência das forças de corte pelo elemento de enchimento para a superfície do geotêxtil, na parte em que o cilindro não está em contacto com a fundação. Note-se que a transferência existe, mas como a areia se encontra num estado solto, conseguira-se chegar a um resultado com uma precisão razoável. Outra suposição diz respeito ao cilindro não possuir rigidez à flexão, assim sendo, a tensão do geotêxtil permanece constante. (Bezuijen e Vastenburg, 2013). A relação entre a pressão interna, a força de tensão e a curvatura do geotêxtil é a apresentada na Eq. 13 𝑇=𝑝 ∗ 𝑟 (13) Onde, T é a força de tensão geotêxtil (kN/m), p é a pressão no elemento de enchimento (kN/m2) e r é o raio da curvatura num ponto aleatório do geotêxtil (m). Porém, pode-se ainda recorrer aos diferentes gráficos ilustrados nos Figura 2.24, 2.25, e 2.26, que foram baseados no método de Timoshenko (Bezuijen e Vastenburg, 2013). De referir que nestes gráficos é assumido um peso de cada unidade de Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 31 20kN/m3 para a pressão na parte superior do cilindro na Figura 2.24, e um valor de 10 kN/m3 na Figura 2.25 durante um enchimento com uma pressão de 5kPa. A linha verde, apresentada em 2.24 e 2.25, indica-nos o rácio da altura em função do diâmetro teórico. Figura 2.24 – Cálculo das dimensões do cilindro, em função da percentagem de enchimento, num cilindro acima do nível da água (Bezuijen e Vastenburg, 2013). Figura 2.25 – Cálculo das dimensões do cilindro, em função da percentagem de enchimento, num cilindro abaixo do nível da água (Bezuijen e Vastenburg, 2013). Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 38 2.5.2.2 PRAIA DA LEIROSA – FIGUEIRA DA FOZ Situada no concelho da Figueira da Foz, a praia da Leirosa é essencialmente utilizada para fins piscatórios, sendo um dos poucos locais em que ainda persiste a arte “Xávega” na pesca. Note-se que esta praia é ainda muito procurada pelos surfistas. A implantação de um emissário submarino de efluentes industriais de duas empresas produziu alterações na dinâmica e estrutura do sistema dunar da Leirosa, desde já de si bastante precário (Antunes do Carmo, 2013), levando à danificação do mesmo, necessitando de um novo processo para a reconstrução da duna. No entanto existia e tem-se acentuado um intenso processo erosivo em grande extensão das praias e dunas a sul dos quebramares do porto da Figueira da Foz, extensão onde se localiza esta praia. È um fenómeno de grandes proporções pelo que a intervenção em causa é geograficamente muito limitada. Procedeu-se então a uma alimentação artificial de areia, local, sendo a duna mecanicamente nivelada com as alturas e declives pretendidos, de forma a garantir as condições semelhantes ao cordão anteriormente existente, tendo sido esta opção de defesa costeira escolhida devido à sua facilidade e rapidez de colocação, já que existia um risco iminente de entrada da água do mar. Consequentemente deu-se um processo de revegetação para estabilizar o cordão dunar. Na Figura 2.32 observa-se uma fase desta primeira intervenção que existiu em Leirosa. . Figura 2.32 – Primeira Intervenção em Leirosa, datado de Março de 2000 (Fonte: http://leirosadunes.bot.uc.pt/index.php?menu=14&language=pt&tabela=geral). Todavia, esta solução ficava claramente debilitada, quando sujeita a agitações marítimas mais rigorosas, designadamente na época de inverno. Tal aconteceu em 2000/2001, tendo sido a duna do lado exposto ao mar bastante danificada. Porém, devido ao procedimento de revegetação que ocorreu após a conclusão da alimentação artificial e consequente desenvolvimento da vegetação, a duna permaneceu estável. Contudo não era uma opção que transmitia plena confiança e portanto haveria que averiguar um novo tipo de solução para o caso. No ano de 2004, foi escolhida uma solução recorrendo aos geossintéticos. Nesta nova técnica, inovadora em Portugal, as camadas de areia iam ser encapsuladas por uma tela em geossintético, designando-se como uma solução em “wrap-around”, com uma extensão de 120m e uma altura de Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 39 8m, colocados na cota 2m (Z.H) (Antunes do Carmo, 2013). Na base da estrutura para prevenir futuras infraescavações foram colocados três fiadas de sacos em geossintéticos, a uma cota de 1.5m (Z.H.). Na Figura 2.33, observa-se a tela utilizada nesta segunda intervenção na praia de Leirosa. Figura 2.33 – Tela em geossintético usada na segunda Intervenção em Leirosa, datado de Fevereiro de 2005 (Fonte: http://leirosadunes.bot.uc.pt/index.php?menu=14&language=pt&tabela=geral). Devido a problemas construtivos, como deficiente colagem das telas em geotêxtil e reduzida dimensão dos sacos que protegiam o pé de talude da estrutura, acrescidos de fortes temporais que se manifestaram no inverno de 2005-2006 (Antunes do Carmo, 2013), ocorreu uma remoção e destruição de vários sacos e várias fugas de areia que se encontravam contidas nas camadas inferiores da estrutura, havendo também fortes indícios de deslocamento de outras camadas acima da mesma. Na Figura 2.34 é ilustrada a situação após o inverno de 2005-2006, sendo de notar que, devido a ações de agitação marítima bastante favoráveis nos meses seguintes, houve um acréscimo da acreção de areia no local. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 40 Figura 2.34 – Estado da estrutura em geossintéticos em Abril de 2006 (Antunes do Carmo, 2013). Face a este problema, em 2008 foi sugerido um reforço da base da estrutura, e, para tal, recorreu-se uma vez mais a uma estrutura em geossintéticos, neste caso recorrendo a cilindros, seguindo-se uma normal construção de uma estrutura deste tipo. Os cilindros tinham um comprimento de 20m e um diâmetro de 1.6m, tendo sido constituídas 5 fiadas de cilindros, instalados à mesma cota que os sacos que estavam na solução anterior, 1.5m (Z.H.). A extensão da solução à semelhança da anterior é de 120m, sendo contudo aumentados 20m de cada lado. Na Figura 2.35 é ilustrada a secção transversal tipo da solução com os cilindros de geossintéticos e a Figura 2.36 a sequência inerente à implantação dos cilindros no caso da praia da Leirosa. Esta solução é substancialmente diferente do projeto inicial significando que não existiu apenas um problema construtivo como explicação para a instabilidade anteriormente registada. Figura 2.35 – Perfil transversal tipo da solução definitiva (Antunes do Carmo, 2009). Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 41 Início dos trabalhos de construção Aumento progressivo da elaboração da estrutura Posição dos cilindros face a estrutura inicial Pormenor no limite da estrutura Observação de duas fiadas dos cilindros Aspeto final do cordão dunar de Leirosa Figura 2.36 – Sequência construtiva dos cilindros de geossintéticos em Leirosa, datado de Julho a Agosto de 2008 (Fonte: http://leirosadunes.bot.uc.pt/index.php?menu=14&language=pt&tabela=geral). Segundo Antunes do Carmo (2013), atualmente a estrutura mantem-se ao longo do respetivo comprimento, assistindo-se a fenómenos localizados de erosão nas zonas laterais da duna, havendo porém recuos de algumas dezenas de metros em relação ao alinhamento inicial. Apesar do que foi citado, a intervenção realizada tem caracter de sucesso visto que fixou a frente da duna, sendo que se recomenda a reutilização da mesma técnica para o restante comprimento do cordão dunar. A Figura 2.37 ilustra a situação em Fevereiro de 2013. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 42 Figura 2.37 – Aspeto do cordão dunar da Leirosa, em Fevereiro de 2013 (Antunes do Carmo, 2013). 2.5.3. EXPERIÊNCIA INTERNACIONAL 2.5.3.1 PRAIAS A NORTE DA COSTA DE YUCATAN - MÉXICO A aplicação em Portugal dos geossintéticos está associada à proteção de sistemas dunares, contudo os cilindros de geossintéticos podem ser aplicados fora da linha costa, de uma forma paralela à mesma, funcionando à semelhança de um quebramar destacado, como no caso relatado do México. Na costa mexicana de Yucatan, designadamente na região norte, os fenómenos de erosão têm aumentado de uma forma exponencial, em parte devido à ação adversa que o homem exerce nas zonas costeiras, aliado ao facto de ser uma zona muito suscetível a furacões, condições severas de agitação marítima e fraco transporte de sedimentos proveniente de rios. Na Figura 2.38 é facilmente constatada a situação precária inicial, anterior a qualquer intervenção. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 43 Figura 2.38 – Situação inicial, em condições deploráveis, em 2002 (Fonte: http://geosyntheticsmagazine.com/articles/0606_f3_geotextile_tubes.html). Face a estas condições em 2001, o ministério do ambiente mexicano procurou encontrar uma solução para conseguir inverter o cenário apresentado, mas que todavia não alterava a dinâmica natural da orla costeira, apresentando-se como uma solução a longo prazo. A sua escolha recaiu na utilização de cilindros de geossintéticos, sendo estes dimensionados como quebramares destacados com baixa altura de coroamento, tendo como principal função a redução da energia da onda incidente na praia. O esquema apresentado na Figura 2.39, regista as alterações que seriam perspetivadas com a introdução desta técnica de defesa da orla costeira. Figura 2.39 – Esquema em perspetiva do futuro perfil transversal resultante da diminuição da energia da onda incidente (Fonte: http://geosyntheticsmagazine.com/articles/0606_f3_geotextile_tubes.html). Aquando da construção da estrutura submersa, tentou-se também eliminar outros problemas que agravavam os problemas erosivos, como a destruição de estruturas transversais à linha de costa (esporões), implantação de técnicas de bypass de sedimentos em portos e alimentação artificial de praias. Assim, o normal transporte de sedimentos era parcialmente recuperado, nomeadamente em algumas zonas da costa. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 44 A estrutura submersa em cilindros de geossintéticos tinha, para uma percentagem de enchimento de 70%, uma altura de 0.90m e largura de 1.85m, sendo estes colocados à cota -0.3 Z.H. Note-se que houve alguns pontos críticos na altura da construção da estrutura, designadamente a força de tensão no geotêxtil exercida na altura do enchimento e na disponibilidade do material de enchimento. Devido a este segundo ponto, o enchimento da estrutura deu-se de duas formas diferentes. Alguns dos cilindros eram cheios recorrendo à extração de areia dos bancos de areia existentes na zona offshore, através de bombeagens. Contudo, em zonas em que se pudesse usar a areia existente no local esta era a opção, recorrendo-se ao uso de um funil e uma retroescavadora para o seu enchimento. As Figura 2.40 e 2.41 exemplificam os dois diferentes tipos de enchimento aplicados, enquanto a Figura 2.42 representa o aspeto final da instalação dos cilindros. Figura 2.40 – Enchimento dos Cilindros, recorrendo a uma tremonha (Fonte: http://geosyntheticsmagazine.com/articles/0606_f3_geotextile_tubes.html). Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 45 Figura 2.41 – Enchimento dos cilindros, recorrendo a bombeagem da mistura de areia e água, proveniente dos bancos de areia (Fonte: http://geosyntheticsmagazine.com/articles/0606_f3_geotextile_tubes.html). Figura 2.42 – Aspeto final, numa determinada secção, da solução (Fonte: http://geosyntheticsmagazine.com/articles/0606_f3_geotextile_tubes.html). O sucesso desta aplicação foi bastante satisfatório, mostrando que o comportamento dos cilindros de geossintéticos, como uma estrutura submersa de baixo coroamento e paralela à linha de costa, dá resultado, pelo menos em ambientes com baixa amplitude de maré, tanto a nível ambiental como a nível de estabilização da costa. A Figura 2.43 mostra a comparação antes e após a aplicação no local, sendo que a segunda foi retirada dois anos após a conclusão da obra. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 46 Figura 2.43 – Comparação antes e após a instalação da estrutura, fotografias com 2 anos de diferença (Fonte: http://geosyntheticsmagazine.com/articles/0606_f3_geotextile_tubes.html). 2.5.3.2 BALD HEAD ISLAND – ESTADOS UNIDOS DA AMÉRICA Localizado no estado norte-americano da Carolina do Norte, Bald Head Island é uma pequena localidade, a qual é exclusivamente acessível por ferry. A partir dos anos 70, a praia a sul da localidade começou a sofrer graves problemas erosivos, pois não havia uma acreção que compensasse a areia que estava a desaparecer, sendo que em meados da década de 90, a quantidade de areia perdida tinha atingido um nível alarmante. Para resolver a situação tinha de se recorrer a uma técnica que permitisse a defesa da linha de costa. A solução escolhida foi recorrer a uma combinação entre alimentação artificial de praia e a construção de um campo de esporões; todavia, devido a leis restritivas ambientais no local, o recurso a uma solução típica de esporões em pedra era proibida. Para ultrapassar este problema, foi escolhido o uso em cilindros de geossintéticos, os quais foram colocados transversalmente à linha de costa, funcionando como um normal esporão. Foram construídos, ao longo de 3.7km de linha de costa, 14 esporões usando esta técnica, tendo um diâmetro de 2.75m e protegidos na sua base com um “apron” com cerca de 7m de comprimento. Dias após a instalação da estrutura, o furacão Fran passou no local, mas, graças à ação dos cilindros não foi verificado nenhum fenómeno erosivo; por questões de manutenção, os cilindros foram substituídos em 2005 e 2010, estando ainda a data no local. A Figura 2.44 ilustra uma sequência de imagens alusivas à construção da infraestrutura. Instalação dos geossintéticos Enchimento dos cilindros Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 47 Aspecto final de um esporão Campo de esporões realizado Figura 2.44 – Breve sequência na construção do campo de esporões em Bald Head Island (Bergado, s/d). Devido a problemas de erosão na secção adjacente e, após o campo de esporões, é perspetivada a realização de uma construção “hard”, consistindo esta solução num esporão com cerca de 600 m para mitigar a erosão devido à proximidade de um porto marítimo. 2.5.3.3 AMWAJ ISLAND - BAHRAIN A técnica de proteção costeira em cilindros de geossintéticos tem tido vários casos de sucesso e foi usada em vários tipos de estruturas; contudo, nenhuma pode ser comparada com a criação de uma nova ilha. Esta técnica foi utilizada graças à facilidade construtiva e a um custo bastante favorável. Exemplo desta situação verificou-se na criação da ilha de Amwaj, no Bahrain, a qual teria aproximadamente cerca de 2.79 milhões de m2 de área reclamada ao mar. Para a realização de tal obra, os cilindros tinham com uso formar o perímetro de toda a ilha, onde para a sua instalação seriam utilizados cerca de 12 milhões m3 de areia dragada, extraída de canais de navegação e de marinas que estavam projetados no local. Os cilindros iam ser colocados ao longo de 30km, com uma altura a variar entre os 2 e os 2.6m, sendo que estes iam também ser colocados segundo dois layers recorrendo-se a bombagens para enchimento de modo a atingira altura necessária paraa evitar galgamentos provenientes da variação da altura de maré (cerca de 1.5m no local) e a ocorrência de tempestades. Também foram construídas estruturas em cilindros de geossintéticos fora da linha de costa, funcionando como um quebramar destacado para proteger a linha de costa ao longo de todo o perímetro desta;aliados aos geossintéticos iam ser utilizados blocos de betão e enrocamento. Na Figura 2.45 é representado o esquema tipo de um quebramar, com a cota de implantação de -1.5m, enquanto na Figura 2.46 é ilustrado o esquema transversal tipo dos cilindros ao longo do perímetro da ilha. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 54 Figura 3.5 – Ilha de Ínsua. Nos últimos anos toda esta zona tem sido afetada por condições persistentes de erosão, não obstante poder haver anos onde ocorre alguma acreção. Surge a necessidade urgente de concretizar uma intervenção na linha de costa, pois além de persa crescente de valor balnear por redução da largura da praia começaram a ficar em risco algumas habitações, em especial, na rua adjacente ao cordão dunar. Note-se que, o cordão dunar tem um papel preponderante, tanto ao nível paisagístico como biológico, albergando uma variedade de fauna e flora. O POOC de Caminha - Espinho não prevê a execução de qualquer intervenção de defesa costeira na Praia de Moledo do Minho, mas os sinais alarmantes de erosão, levam à necessidade de tomar medidas para evitar níveis de estragos que poderão ser irremediáveis. O favorável enquadramento paisagístico da marginal da praia de Moledo do Minho e das suas dunas exige que qualquer intervenção de defesa respeite essa beleza natural, pelo que deverá ser menos intrusiva possível (Veloso Gomes e das Neves, 2011). O projeto de execução de uma intervenção então classificada como de emergência, datado de Julho de 2011, refere que será utilizada uma técnica inovadora em cilindros de geotêxtil, de cor clara (ocre), preenchidos com areia, para reconstituir a duna, de forma a garantir um núcleo mais “resistente”. A probabilidade de uma recuperação natural do cordão dunar, é considerada como muito improvável, pois têm-se verificado fenómenos de erosão, acentuados, rápidos e quase consecutivos e a disponibilidade de sedimentos tem-se mostrado insuficiente;portanto é lógico pensar que cada vez mais se vai acentuar o emagrecimento da praia e o recuo e emagrecimento das dunas. Ao longo deste terceiro capítulo, vai ser abordado não só a proposta de solução, como vai ser apresentada a evolução da zona de intervenção, para que melhorse compreenda a gravidade da situação. Na Figura 3.6 encontra-se representada uma imagem satélite da zona de intervenção, face à sua posição na aldeia de Moledo do Minho. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 55 Figura 3.6 – Imagem satélite da zona de intervenção, focando essencialmente a sua posição face à aldeia de Moledo do Minho. 3.2. EVOLUÇÃO DA ZONA DE INTERVENÇÃO 3.2.1. ENQUADRAMENTO A configuração da linha de costa (interceção do nível médio das águas com a zona terrestre) não é sempre igual ao longo do tempo, havendo inúmeros fatores que levam a uma alteração da morfologia da costa. Fatores de índole oceanográfica e climatérica, a natureza dos solos, a geologia e a topo a hidrografia, condicionam a evolução geomorfológica da linha costa, tornando cada local único. As ações exercidas por ondas, correntes e marés, o transporte de sedimentos ao longo da linha de costa, a subida do nível do mar e as intervenções costeiras são alguns dos principais mecanismos que vão alterar a linha de costa, sendo portanto essencial o seu entendimento de forma a melhor prever,o que poderá ser o futuro da zona costeira. A zona de intervenção não é diferente, pois está também sujeita a estas condições. E isto é facilmente constatado quando se pergunta à população local, havendo muitos relatos em que a praia já não era o que foi há cerca de 20 anos atrás, salientando-se, que esta era bastante mais extensa e plana, assim como o cordão dunar que tinha sido maior em largura e mais estável do que o é nos dias de hoje. Seguidamente, a sequência de imagens, ilustra a evolução da linha de costa, recorrendo a imagens satélite e a imagens recolhidas no local. 3.2.2. IMAGEM DE SATÉLITE DATADA 16/10/2001 A imagem de satélite, datada de 16/10/2001, representada na Figura 3.7, é a mais antiga que se conseguiu obter. Podemos constatar nela que a maré não se encontra em posição de preia-mar devido às marcas de água existentes no areal. Nesta imagem é visível a forte ondulação no local, (rebentação). Em relação à largura da praia, o areal que se encontra na secção frente ao moinho e na secção imediatamente a sul, é mais extenso do que o que se verifica atualmente. O cordão dunar encontra-se em boas condições, tendo ainda muita vegetação e uma respeitável largura. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 56 Na Figura 3.7 são também facilmente reconhecidos alguns fenómenos de iteração da agitação, nomeadamente o fenómeno da refração, graças à mudança da trajetória da onda devido à passagem de um meio mais profundo para um mais raso, assim como o fenómeno da rebentação, consistindo este no colapso da onda em ambientes de muita pouca profundidade relativa, designadamente junto à linha de costa. Figura 3.7 – Imagem de satélite datada de 16/10/2001 da zona de intervenção. 3.2.3. IMAGEM DE SATÉLITE DATADA 8/5/2003 Na Figura 3.8 é representada a imagem de satélite datada de 8/5/2003. Tal como na Figura 3.7, facilmente se constata a forte ondulação no local. Isto poderá ter sido devido a uma tempestade que poderá ter afetado o local, sendo de registar o facto de a água do mar ter atingido o paredão visívelatravés das marcas deixadas na areia. Em relação à largura da praia, esta encontra-se praticamente inalterada em comparação com a imagem que a antecede; contudo, vê-se um acréscimo da areia na zona a norte do moinho, podendo ser devido a uma maior afluência de sedimentos provenientes do rio Minho. O cordão dunar apresenta-se também praticamente inalterado, embora haja uma diminuição da vegetação na zona intermediária da zona de intervenção. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 57 Figura 3.8 – Imagem de satélite, datada de 8/5/2003 da zona de intervenção. 3.2.4. IMAGEM DE SATÉLITE DATADA 21/5/2004 A Figura 3.9 ilustra a zona de intervenção, datada de 21/5/2004. Neste momento, devemos encontrarnos numa situação praticamente de preia-mar, pois a marca na areia é bastante próxima ao nível atual de preia-mar. No que diz respeito ao tamanho do areal, em comparação com a imagem inicial, esta permanece muito idêntica; todavia existem algumas alterações, nomeadamente nas zonas norte e sul adjacentes ao moinho. Na primeira observa-se um fenómeno de erosão e na segunda um fenómeno oposto, ou seja, de acreção. Contudo, o fator mais alarmante em relação à imagem anterior é um claro recuo, de alguns metros, do cordão dunar na zona intermediária, começando a levantar a questão do risco a que poderá ficar submetida a rua adjacente. Verifica-se ainda a existência de um banco submerso de areia na zona frontal do moinho, ou seja, uma acumulação de areia ao longo daquela secção costeira, tendo sido originada devido a fenómenos de refração e difração locais. Pelo fenómeno da refração presente no locale apesar de não haver nenhum levantamento batimétrico disponível à data da presente dissertação, pode observar-se que as ondas têm uma rebentação de tipo progressivo ( “spilling”), ou seja, faz antever que os fundos no local se inclinam de uma forma mais suave. Na Figura 3.12, este fenómeno é mais facilmente visível Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 58 Figura 3.9 – Imagem de satélite, datada de 21/5/2004 da zona de intervenção 3.2.5. IMAGEM DE SATÉLITE DATADA 30/10/2006 Na Figura 3.10 é representada a zona de intervenção na data de 30/10/2006, podendo observar-se que o nível da maré deve ser de baixa-mar ou situação muito idêntica, sendo que, claramente, se constata uma calmaria da agitação marítima em relação às imagens anteriores. Numa primeira observação poder-se-ia concluir que a costa teve um fenómeno muito favorável de acreção em comparação com o anos anteriores: Todavia, poderá não ser bem assim, pois é uma diferente situação de maré em relação às imagens anteriores. Nesta imagem, podemos observar, pela primeira vez, a existência de uma formação rochosa localizada muito próxima ao paredão. No que diz respeito ao cordão dunar, verificase um acentuar do estreitamento na secção intermediária, mostrando uma cada vez maior necessidade de se realizar uma obra de defesa dunar. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 59 Figura 3.10 – Imagem de satélite, datada de 30/10/2006 da zona de intervenção. 3.2.6. IMAGEM DE SATÉLITE DATADA 19/9/2010 Na Figura 3.11 é representada a imagem de satélite datada de 19/9/2010 referente à zona de intervenção. Esta apresenta condições muito semelhantes à Figura 3.10. Em comparação com esta, podemos notar um ligeiro decréscimo da praia; isto é percetível graças à formação rochosa, previamente indicada. No que se refere ao cordão dunar, este permanece praticamente inalterável, contudo, algumas secções como a zona imediatamente à frente do moinho, ficou mais reduzida. Podemos observar na Figura 3.11 uma tendência para a formação de um cabo na secção imediatamente a sul do moinho, onde se nota uma saliência na linha de costa sendo esta o resultado da iteração de ondas e correntes no local, mostrando que é um local com um comportamento singular. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 60 Figura 3.11 – Imagem de satélite, datada de 19/9/2010 da zona de intervenção. 3.2.7. SITUAÇÃO NO INVERNO DE 2010/2011 Durante os meses de inverno de 2010/2011, em particular graças à forte ondulação e à existência de marés vivas durante o mês de Fevereiro, verificou-se uma erosão significativa e consequente recuo da duna a norte da estrutura aderente, ou seja no local da futura intervenção. O local mais debilitado foi a zona envolvente ao moinho secular existente, onde o mar avançou drasticamente, pondo em perigo o moinho coma possibilidade de uma derrocada. Na Figura 3.12 encontra-se uma imagem do embater das ondas na arriba dunar junto ao moinho. Figura 3.12 – Aproximação das ondas, à arriba dunar junto ao moinho (Adaptado de um vídeo sobre a forte ondulação datado de 19/2/2011) Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 61 A forte agitação e a erosão destruíram, inclusive, várias paliçadas de proteção das dunas e passadiços que permitiam o acesso pedonal à praia, conforme é verificado na Figura 3.13. Figura 3.13 – Destroços de um passadiço (Adaptado de um vídeo sobre a forte ondulação datado de 19/2/2011). Para mitigar os problemas inerentes às marés vivas, a junta de freguesia de Moledo do Minho, procedeu a uma proteção de emergência na zona próxima do moinho recorrendo a um enrocamento não arrumado, conforme é visto na Figura 3.14. Figura 3.14 – Intervenção com enrocamento, datado de 4/03/2011 (Veloso Gomes e das Neves, 2011) As imagens seguintes ilustram a praia de Moledo do Minho, após as marés vivas de Fevereiro de 2011. Na Figura 3.15 é representada a zona de intervenção, a partir do moinho e na Figura 3.16, uma imagem ilustrativa do estado do cordão dunar. Note-se que este reduziu drasticamente sendo que a arriba erosiva se encontra a escassos metros do arruamento marginal e, consequentemente, das moradias existentes. Será plausível prever que, caso não haja qualquer tipo de intervenção num futuro próximo eno caso de haveruma grande severidade em termos de agitação, como galgamento do cordão dunar há apossibilidade da água chegar às habitações. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 62 Figura 3.15 – Vista para sul, a partir do moinho, datado de 4/3/2011 (Veloso Gomes e das Neves, 2011). Figura 3.16 – Estado do cordão dunar, datado de 4/3/2011 (Veloso Gomes e das Neves, 2011). 3.2.8. SITUAÇÃO NO OUTONO DE 2013 Após uma visita ao local, verificou-se que as condições do cordão dunar e do comprimento da secção transversal da praia têm sido praticamente idênticas ao que se manifestava em Março de 2011, havendo indícios de alguma acreção na zona de intervenção. Nas Figuras 3.17 a 3.21, ilustram-se as condições locais, datadas de 23/11/2013. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 63 Figura 3.17 – Estado do cordão dunar, datado de 23/11/2013, na secção a norte do moinho. Na Figura 3.17 observa-se que o estado dos taludes dunares na zona a norte do moinho se encontra num elevado nível de degradação e sem nenhum tipo de proteção, tornando-o muito frágil e facilmente galgável aquando de marés vivas com tempestades. Figura 3.18 – Estado do enrocamento na zona do moinho, datado de 23/11/2013 Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 70 Tabela 3.2 – Diferenças entre distâncias, em metros Anos Secções 2001-2003 2003-2004 2004-2006 2006-2010 2001-2010 2010-2014 2001-2014 S1 -9,1 1,2 -8,6 9,3 -7,2 -7,9 -15,2 S2 -9,5 -15,6 -5,6 3,5 -27,3 - - S3 -10,0 -3,3 -8,9 -0,9 -23,1 -3,9 -26,9 S4 -6,8 -0,7 -6,1 9,6 -3,9 -23,7 -27,7 S5 -5,4 -0,8 2,2 -9,1 -13,1 -4,4 -17,5 S6 -0,1 -5,7 -11,0 4,2 -12,6 - - Ao analisarmos as tabelas 3.1 e 3.2, facilmente se percebe que o cordão dunar tem vindo a reduzir a sua largura ao longo de todo o seu comprimento, recuando em algumas secções, nomeadamente a Secção 3 e 4, cerca de 28m. É notório inclusive, que, ao longo dos anos, algumas secções tenham conseguido recuperar face à constante redução da largura da duna, sem nunca conseguirem recuperar o perfil inicial que tinham em 2001. No período em análise poderão ter ocorrido variações sazonais e interanuais de sedimentos e mesmo algumas intervenções de ripagem de areias. A georreferência das imagens pode não ser uniforme. Devido à presença de uma densa vegetação no cordão dunar, não se conseguiu analisar a dimensão do mesmo, nas secções 2 e 6. Face à flagrante evolução negativa da situação e também devido à intempérie ocorrida em 2011, procedeu-se à elaboração de um projeto com caráter de urgência para mitigar as ações adversas que afetam a arriba dunar, assim como para melhorar a preservação e estabilização da mesma. A solução proposta em cilindros de geossintéticos é descrita no subcapítulo seguinte. 3.3. SOLUÇÃO PROJETADA E OUTRAS INTERVENÇÕES A REALIZAR NO LOCAL 3.3.1. ENQUADRAMENTO Face aos problemas ocorridos no inverno de 2010/2011, foi considerado urgente intervir no cordão dunar da praia de Moledo do Minho para reforço da estabilidade do mesmo, atenuando o agravamento do risco de erosão e a possibilidade de galgamento. A intervenção principal recaía numa utilização de cilindros de geossintéticos com areia para a reconstituição da face exposta da duna, fazendo com que esta tenha, portanto, um núcleo artificial “resistente”( Veloso Gomes e das Neves, 2011). Todavia e apesar de se já encontrar projetada em Julho de 2011, só em 2013 é que a obra foi lançada em concurso público, devendo ser executada ainda após a data de finalização da dissertação. 3.3.2. RECONSTITUIÇÃO DO CORDÃO DUNAR Devido ao acumular de processos erosivos ao longo da costa da praia de Moledo do Minho, o cordão dunar inerente sofreu a ação direta da agitação marítima, ficando claramente debilitado e diminuído em termos de largura. Aliado a este facto a agitação coincidindo com as marés vivas do inverno de 2010/2011 ainda agravaram mais este já muito frágil sistema. Sentiu-se,u então, uma necessidade de intervir de modo a mitigar as consequências negativas que estavam a ocorrer. Optou-se por uma solução em cilindros de geossintéticos que, apesar de serpraticamente uma nova tecnologia aplicada a Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 71 engenharia costeira em Portugal, era já um caso recorrente no estrangeiro, nomeadamente nos Estados Unidos da América. (Ver secção 2.5). Para esta situação particular, os cilindros iriam reconstituir o núcleo resistente da duna, conferindo assim a estabilidade pretendida. Estes serão de uma cor clara, em preferência uma cor semelhante à areia (ocre ou amarelada), tendo a capacidade de reter o material sedimentar e sendo parcialmente preenchido recorrendo a areia, graças à fácil disponibilidade do material (Veloso Gomes e das Neves, 2011). Estes serão posicionados com a face inferior 1m abaixo da cota do pé do talude, tendo uma altura aproximada de 3m, sendo que a face que não se encontra exposta, será “encostada” à respetiva arriba de erosão ao longo de um comprimento aproximadamente de 330m (Veloso Gomes e das Neves, 2011). A largura da superfície oval do cilindro parcialmente cheio com areia tem aproximadamente 7m, para a altura respetiva de 3m, onde o diâmetro do cilindro com uma percentagem de enchimento de 100% é de 5m. Nos anexos 2 e 3, encontra-se disponível o levantamento topográfico, executado pela câmara municipal de Caminha do ano de 2011, e uma planta de implantação da estrutura, ao longo dos 330m. No anexo 4, encontram-se representados os perfis-tipo em três secções, em conjunto com os respetivos perfis-tipo da praia, assim como a planta de localização dos três perfis prévios. O projeto de execução de Veloso Gomes e das Neves, 2011, dá mais algumas indicações referentes à colocação dos cilindros, nomeadamente devido aos remates no topo norte e sul da estrutura, assim como os locais onde se situam as costuras (secções mais frágeis dos cilindros). O projeto inclui a remoção ou reposicionamento de elementos pétreos que poderão estar sob a estrutura, diminuindo assim o risco de ocorrência de rasgões, os quais poderão implicar fuga do material de enchimento. Caso não seja possível a movimentação dos mesmos, há que garantir o “acolchoamento” da superfície de fundação, de forma a eliminar os riscos acima descritos. Não havendo no projeto de execução um número limite de cilindros a utilizar ao longo de todo o comprimento, este deve ser otimizado e minimizado de acordo com as diferentes possibilidades de instalação e as condições encontradas no local. É referido no projeto de execução, que, quando houver a necessidade de uma zona de transição entre os cilindros de geossintéticos esta seja executada, mas que, todavia, não haja uma alteração significativa do perfil transversal tipo. Em relação ao número de transições, estas não estão estipuladas, mas devem ser definidas de acordo com as condicionantes na zona de intervenção. Conforme dito no projeto de execução, os elementos em geossintéticos são colocados sobre um filtro rematado em tubo de forma a proteger a fundação a ações erosivas que poderão provocar o colapso da estrutura. Note-se que o “apron” é constituído com o mesmo material geossintético escolhido para o cilindro, sendo no final cosido a este. O tubo de ancoragem deve ser posicionado 1m abaixo em relação à face inferior do cilindro e preenchido com areia. Finalmente vai ainda recorrer-se a um recobrimento do núcleo, devendo esta operação ser pontualmente repetida ao longo do tempo, sempre que este fique descoberto. A sua utilização tem como função mitigar os problemas inerentes aos cilindros geossintéticos, como o vandalismo, os raios UV e o impacte negativo que este pode provocar na paisagem. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 72 3.3.3. OUTRAS INTERVENÇÕES NO LOCAL 3.3.3.1. TAMPONAMENTO DO TOPO DA ESTRUTURA ADERENTE EXISTENTE No projeto de execução, aliada à colocação do material em geossintético, são definidas outras intervenções necessárias ao local. Uma primeira consiste no tamponamento no topo da estrutura aderente presente no local. Para esta ação será colocado betão ciclópico na extremidade norte da estrutura, tendo este como finalidade evitar a ruína desta, visto que é provável o seu colapso, caso ocorram infraescavações nas suas extremidades. Devido à disponibilidade e facilidade de movimentação, é recomendada a utilização de pedras existentes no local. Para finalizar,o tamponamentodeve ser recoberto com areia do local, de forma a minimizar o impacte visual negativo Na primeira visita ao local, no dia de 23/11/2013, constatou-se que esta operação ainda não tinha sido realizada, existindo pedras colocadas provisoriamente e em situação de emergência, de uma forma “desarrumada”. Na Figura 3.28 é ilustrada a colocação das pedras do extremo norte da estrutura aderente, na primeira data mencionada. Figura 3.28 – Estado do extremo norte da estrutura aderente, datada de 23/11/2013 Na segunda visita ao local, retirou-se também documentação fotográfica do estado da situação descrita anteriormente, observando-se esta na Figura 3.29. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 73 Figura 3.29 – Estado do extremo norte da estrutura aderente, datada de 12/02/2014. Observa-se que a maior parte das pedras, previamente existentes, foram removidas ou encontram-se subterradas pois como se constatou na visita ao local durante as fortes condições de agitação e em condição de preia-mar, o nível da água facilmente atinge a estrutura aderente. Em comparação com as duas imagens anteriores, pode concluir-se que houve um aumento na acreção na zona descrita, facilmente reparável, através do nível de areia, na parte inferior do lancil de escadas. 3.3.3.2. RIPAGENS DA AREIA De forma a preservar e manter a estrutura aderente em cilindros de geossintéticos, e reabilitar a zona da duna danificada, será necessário fazer operações de ripagens no local, movimentando as areias da zona de entre-marés para a zona da duna, reconstituindo com a maior precisão possível o perfil previamente existente. No projeto de execução não é descrito o volume a operar visto que este vai ficar condicionado pela situação morfológica da praia aquando da execução da empreitada, ou seja, deve ser gerido somente na altura de execução do projeto. É previsto no projeto de execução o recurso à utilização de uma “giratória”, dois “cumpres” e um “bulldozer”. É importante realçar que a ripagem, na zona quase frontal à da ocorrência da situação em análise ou em locais próximos onde exista acumulação de areias, não deverá aprofundar mais do que 20cm o perfil do areal na zona entre-marés, sendo que o mar se encarregará, de imediato, de repor a areia nessa faixa (Veloso Gomes e das Neves, 2011). 3.3.4. LISTAGEM DE ALGUNS DOS RESTANTES ELEMENTOS DO PROJETO DE EXECUÇÃO Neste último subcapítulo são referidos alguns elementos ainda representativos do que deve constituir um projeto de execução de Obras Portuárias e de Engenharia Costeira, apresentando-se numa forma de listagem esses elementos especiais, assim como os comentários quanto à sua aplicabilidade ao projeto mencionado e considerações. Este breve subcapítulo é ilustrativo no projeto de execução de Veloso Gomes e das Neves, 2011, tendo sido retirado somente o que se entende como mais crucial para a compreensão do projeto em cilindros de geossintéticos. a) Dimensionamento estrutural e respetivos cálculos justificativos das obras a realizar. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 74  A solução, em cilindros de geossintéticos, é baseada no fornecimento de um produto disponível no mercado, elemento este geralmente patenteado, e, portanto é sujeito às especificações e a metodologias de cálculo próprias e que devem ser proporcionadas pelo fabricante do mesmo. b) Necessidade de equipamento de sinalização, acostagem e amarração de navios no local.  Não é preciso recorrer a tal material, visto que a intervenção é independente ao recurso de navios e não interfere com algum canal de navegação existente no local. c) Peças Desenhadas.  Não obstante as imagens fotográficas da zona de intervenção e das suas condições atuais, é apresentado o levantamento topográfico da praia, aquando da data de execução do projeto e respetiva implantação da estrutura no local. Note-se que são apresentados em anexo estes dois itens, mas que são datados de Julho de 2011 e que ,consequentemente, podem encontrar-se desatualizados.  As peças desenhadas com os detalhes construtivos, serão apresentados ao Concurso pelos concorrentes e completadas pelo Empreiteiro em exercício. d) Estudo de integração urbana e enquadramento paisagístico.  A escolha da solução para a zona a intervir, foi selecionada de forma a mitigar o impacte negativo que poderá ter no local. Foi portanto escolhida a disposição de uma estrutura longitudinal aderente, posicionada junto à arriba da duna, enterrada a 1m face ao terreno do local, executada com recurso a um material em geotêxtil de cor clara, recoberto posteriormente com areia. Uma vantagem na utilização desta técnica é a possibilidade de ser reversível, ou seja, pode ser facilmente removida, reforçada ou reajustada, em caso de necessidade. e) Plano de Observação expedito do comportamento da obra ao longo do tempo.  É importante e comum a qualquer obra de Engenharia Costeira, um plano para observar o comportamento da obra ao longo do seu período útil de vida, de forma a prevenir futuras anomalias, e, caso existam, permite uma mais rápida reparação do mesmo.  Ao longo do tempo, o plano de observação terá uma componente visual com relatório e respetiva documentação gráfica, nomeadamente durante a execução do projeto, mensalmente até um ano depois da sua finalização, sempre que ocorra alguma tempestade de grandes proporções que afetenegativamente a solução proposta, quando ocorram atos de vandalismo, e finalmente, inspeções visuais nos meses de Abril e Setembro, respetivamente antes e depoiss dos meses de inverno.  O plano de observação ainda deve conter um levantamento, designadamente, no inicio e fim da intervenção, aquando da ocorrência de tempestades e anualmente nos meses de Abril e Setembro. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 75 3.4. CONSIDERAÇÕES FINAIS À data da escolha do tema de dissertação, a execução do projeto acima mencionado, não se encontrava ainda elaborado talvez porque durante estes últimos anos não se tenham verificado variações significativas ao longo do perfil da praia ou do cordão dunar; contudo é de carácter urgente a realização da estrutura longitudinal aderente. Para a consolidação desta técnica na proteção costeira como reforço dunar, será executada recorrendo a modelação física, modelo da solução previamente descrita, tentando, com a maior exaustão possível, recriar-se as mesmas condições existentes no local. Este tema, será discutido ao longo do próximo capítulo. A presente intervenção servirá para consolidar esta solução na proteção costeira em Portugal, sendo que esta solução já foi implantada e com bom nível de satisfação, em algumas zonas, podendo portanto ser uma ótima solução alternativa às técnicas “hard” em Engenharia Civil. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 76 Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 77 4 TRABALHO EXPERIMENTAL 4.1. ENQUADRAMENTO Inerente a qualquer projeto de engenharia costeira está a realização, em primeiro lugar, de uma modelação do protótipo em questão, de modo a prevenir as condições locais e, portanto,executá-lo com toda a garantia de segurança, face a condições adversas. Neste capítulo vai retratar-se todo o processo de experimentação do caso de estudo mencionado no capítulo anterior, ou seja, a aplicação da tecnologia de cilindros geossintéticos como proteção de um talude de uma duna. A realização deste projeto visa reforçar a aplicação deste tipo de solução na engenharia costeira pois esta tecnologia é vista como um elemento eficaz em comparação com situações em que é usada pedra e betão. O objetivo principal neste capítulo é, essencialmente, verificar se a solução de geossintéticos garante a qualidade necessária de proteção da zona costeira, em ações de agitação moderada e severa e comparando estas com uma situação onde não exista nenhum mecanismo para proteção da costa. Por outras palavras, vai avaliar-se o desempenho global da estabilidade da estrutura face às ações exercidas pelas ondas e comparar esta solução face a uma não realização de uma intervenção no local. Este capítulo encontra-se subdivido em 4 fases, onde numa primeira descrever-se-á todo o material e equipamento utilizado ao longo deste procedimento experimental, seguidamente serão enunciadas todas as características hidrodinâmicas, tanto ao nível do modelo como do protótipo em si, seguindose a explicação face à construção do modelo e o plano de ensaios executado, assim como uma interpretação obtida ao longo da duração dos ensaios. No que diz respeito ao procedimento de ensaios, seriam executados 3 ensaios distintos, com duração de 30 minutos cada um e com condições hidrodinâmicas únicas para cada um deles, ao longo de 3 secções distintas executadas no modelo: uma com um cilindro de maior dimensão, adjacente a este uma secção com um cilindro mais pequeno recoberto e, finalmente, uma secção de praia e cordão dunar totalmente exposto, ou seja, sem qualquer tipo de intervenção de proteção marítima. 4.2. OBJETIVOS Neste breve subcapítulo, serão introduzidos os objetivos do ensaio laboratorial e a planificação dos ensaios a reproduzir no modelo no tanque de ondas do Laboratório de Hidráulica da Secção de Hidráulica, Recursos Hídricos e Ambiente, da FEUP. Estes ensaios tiveram como pressuposto realizar as condições existentes no protótipo e reproduzi-las com a maior fidelidade possível no modelo, com o Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 78 claro objetivo de estudar a resposta da estrutura às condições locais, em Moledo do Minho. Resumidamente, os objetivos foram:  Estudar, para o perfil considerado mais gravoso e para as condições hidrodinâmicas mais desfavoráveis, o comportamento do cilindro em geossintético, não só ao nível da estabilidade do mesmo, mas também como mecanismo efetivo de proteção do cordão dunar, identificando possíveis falhas e elementos indispensáveis.  Observar o comportamento de um cilindro de menor dimensão, verificando-se a possibilidade de este ser uma solução a optar aquando da realização da estrutura, tendo sempre em consideração os aspetos previamente descritos.  Examinar a evolução do cordão dunar durante e após a realização do ensaio, diagnosticando-se qualquer tipo de problema que podesse ocorrer, em especial os fenómenos de erosão que foram a aparecer.  Estudar a evolução do cordão dunar numa secção de praia, sem qualquer mecanismo de proteção, ou seja, um perfil de praia tipo, totalmente exposto às condições de agitação, avaliando-se o nível de estragos que podesse ocorrer, e, consequente, alteração do perfil assim como a necessidade ou não, de um mecanismo para a sua proteção.  Estudar comparativamente as três hipóteses elaboradas, de forma a arranjar a melhor solução para o caso de estudo. Para cumprir tais objetivos, foi proposta a realização de um modelo tridimensional, com fundos móveis, constituído por areia disponível no Laboratório de Hidráulica da FEUP, o qual era representativo de uma determinada secção do perfil transversal da praia de Moledo do Minho, criado a partir do levantamento topográfico realizado em Junho de 2011. É de salientar que a orla costeira encontra-se em constante evolução e, portanto, não é um sistema consternado o que indica que, possivelmente, e devido até à ocorrência de intempéries que poderão ter surgido, o perfil existente à data desta dissertação, seja ligeiramente diferente do que será apresentado. A agitação reproduzida no modelo será de índole regular de forma a minimizar os efeitos de escala associados a vários parâmetros da agitação irregular, pois, na agitação regular, trabalha-se somente com aspetos relacionados com a altura de onda significativa e o período da onda para uma determinada profundidade. Por questões de disponibilidade temporal, o uso de agitação irregular também foi preterido. Note-se que o ângulo de incidência da agitação é normal ao modelo. 4.3. INSTRUMENTAÇÃO E MATERIAL USADO 4.3.1. TANQUE DE ONDAS Este procedimento experimental foi elaborado no tanque de ondas do Laboratório de Hidráulica da secção de Hidráulica, Recursos Hídricos e Ambiente da FEUP, o qual tem 28m de comprimento, 12m de largura e 1.2m de altura. Num dos extremos do tanque estão localizados os batedores, os quais têm como função a geração da agitação no tanque. De modo a garantir a qualidade dos resultados obtidos há que garantir uma réplica do modelo com elevado grau de semelhança, esperando-se, essencialmente, uma máxima exatidão na reprodução das condições de agitação marítima pretendidas, pelo que, se devem diminuir ao máximo os fenómenos de reflexão que não se verifica no protótipo. Este fenómeno é reproduzido devido aos limites do tanque e à própria reflexão existente no sistema de geração o que provoca, irremediavelmente, alteração das condições de agitação do modelo construído, facto que não se verifica no local de estudo. Para mitigar este problema, o tanque é constituído por uma praia dissipadora no outro extremo, composta por material granular a qual incita a rebentação da agitação gerada que, consequentemente, gera grande perda de energia da mesma. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 79 De referir que este procedimento experimental foi concretizado na praia dissipadora, tendo-se desprezado uma secção anexa à parede lateral do tanque de forma a evitar interpretações erróneas originadas pela reflexão das ondas geradas, as quais iriam agravar a erosão no extremo do modelo e a qual não ocorre no protótipo, no caso de estudo. Na Figura 4.1 é ilustrada uma fotografia do respetivo tanque de ondas . Figura 4.1 – Imagem do Tanque de ondas, antes do início dos ensaios 4.3.2. SISTEMA DE GERAÇÃO DAS ONDAS O tanque de ondas do Laboratório de Hidráulica da FEUP é equipado omo um sistema de geração marítima, sendo este composto por uma unidade de controlo e um sistema de geração de sinal, localizados na sala de controlo e pela máquina de geração propriamente dita (Santos, 2010). Existe 16 pás batedoras do tipo pistão, com 0.75m de largura cada, acionados com o auxílio de motores elétricos (Porto, 2013). As pás batedoras têm os respetivos movimentos autónomos entre si, o que possibilita um funcionamento flexível, permitindo a geração de inúmeros estados de agitação marítima com uma ou várias direções. O sistema instalado pode funcionar com profundidades de água até 1m e, consequentemente, gerar períodos, frequências e alturas de onda que variam de acordo com a profundidade de água pretendida, a capacidade de geração do sistema e os limites físicos de rebentação da onda (Marinheiro, 2013). Na Figura 4.2 é possível observar a performance teórica do gerador em função dos itens previamente descritos. O sistema de geração foi desenvolvido pela HR Wallingford, UK, e é controlado pelo software informático HR Wave Maker (Santos, 2010), instalado na sala de controlo. Devido às possíveis reflexões que ocorrem neste sistema e que, consequentemente, podem prejudicar os resultados no modelo, este é equipado com HR Wallingford Dynamic Wave Absorption (DWA), um sistema que perimte a absorção activa das reflexões, permitindo que as ondas que são refletidas não sejam de novo refletidas nas pás do sistema o que pode provocar um aumento, ou mesmo uma diminuição das alturas de onda desejadas. Este sistema consiste na constante medição da elevação da superfície livre da água por cada uma das pás do sistema e no posterior reajuste da posição destas, de forma a incluir uma compensação adequada (Marinheiro, 2013). Na Figura 4.2 encontra-se representado o sistema de batedores. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 86 𝐹𝑟= 𝑈2 𝑔∗𝑙 (16) 𝑅𝑒= 𝑈∗𝑙 𝜈 (17) 𝑊𝑒= 𝜌∗𝑈2 𝛿 (18) Onde, U (m/s) é a velocidade, g (m/s2) a aceleração da gravidade, l (m) o comprimento, 𝜐(N.s/m2) representa a viscosidade dinâmica, 𝜌(Kg/m3) a massa volúmica e 𝛿(N/m) a tensão superficial. Como as forças de tensão superficial são pequenas, é comum desprezá-las num modelo de previsão costeira, optando-se por usar o critério de Froude ou de Reynolds, podendo adaptar-se a semelhança de Froude, caso predominem as forças de natureza gravítica e a segunda quando as ações são de carácter viscoso (Silva, 2010). No respetivo ensaio laboratorial o critério apropriado será o de Froude, pois o efeito da gravidade é o mais preponderante, sendo igual tanto no protótipo, como no modelo. A partir deste critério, podemos determinar as escalas do tempo, velocidades e outras grandezas em função da escala de comprimento adotada. A Eq. 19 representa a escala do tempo para este critério de semelhança. 𝜆𝑡=√𝜆𝑙 (19) No que diz respeito a modelação física de fundos móveis, há que assegurar que todos os processos dominantes são os mesmos tanto no modelo como no protótipo, ou seja, o modelo deve reproduzir a iteracção complexa entre os diversos fenómenos, tais como, ondas curtas, ondas longas e transporte sedimentar (Silva, 2010). Todavia segundo Hughes, 1993, citado por Silva, 2010, é praticamente impossível estabelecer relações de escala que permitam uma semelhança de todas as iteracções existente, e portanto há que fundamentalmente manter a semelhança nos perfis de equilibrio da linha de costa entre o modelo e o protótipo. O tipo de transporte sedimentar dominante (transporte por suspensão ou transporte por arrastamento) também o deve ser correctamente executado. Na semelhança do transporte sedimentar por arrastamento, que ocorre quando as tensões de corte junto ao fundo induzidas são pequenas e que são portanto, mais dominante em zonas protegidas, segundo Kampuis 1975, para reproduzir a o melhor modelo é necessário que o modelo em areia tenha a mesma densidade que a areia no protótipo e uma correcta escala dos grãos de areia em concordância com a escala geométrica do modelo, sendo para tal há que garantir que os seguintes números índice se mantêem coerentes tanto no protótipo como no modelo: Número de Froude densimétrico, densidade relativa dos sedimentos e o comprimento relativo dos sedimentos. Todavia existe alguns efeitos de Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 87 escala derivados da não semelhança de Reynolds, mas que eram reduzidos pois estes só afectam efeitos viscosos e ocorrem para velocidades baixas do escoamento. Hughes, 1993 notou que não é verificado uma semelhança no que concerne a velocidade de queda dos sedimentos, o que pode intigar a um maior transporte por suspensão do que efectivamente ocorre no protótipo. Para dificuldades referentes a escala do tamanho dos grãos de areia, utiliza-se modelos onde a areia tenha a mesma densidade tanto no modelo como no protótipo (“sand model”, segundo Kampuis 1975) mas que o tamanho dos grãos de areia seja grande o suficiente para que a areia seja não coesiva (Hughes, 2006) No que refere a semelhança em modelos dominados pr transporte sedimentar em suspensão, que costuma ocorrer em condições de escoamento com elevados níveis de turbulência, que elevam os sedimentos na coluna de água, requer a consideração de parâmetros físicos diferentes dos que se utilizam o tipo de transporte por arrastamento (Silva, 2010). Como os tipos de transporte descritos podem ocorrer na mesma zona, isto pode levar que um dos modos de transporte não estará devidamente reproduzido e consequentemente levará a efeitos de escala. Hughes, 1993, reveu várias propostas para semelhança em modelos dominados por transporte sedimentar em suspensão, tendo sido o critério da velocidade de queda o mais preponderante. Dean 1973, introduziu o parâmetro de velocidade de queda como (Eq. 20): 𝐻 𝜔∗𝑇 (20) Onde, ω representa a velocidade de queda. Para a sua adequada reprodução em modelo físico, o parâmetro adimensional da velocidade de queda, defenido na Eq. 20, deve ter o mesmo valor do protótipo. Para tal e recorrendo a uma semelhança segundo Froude: 𝜆𝜔=√𝜆𝑙∗𝜆𝑔 (21) Segundo Hughes e Fowler 1990, recorrendo a semelhança descrita na Eq. 21, confere ao modelo uma correcta reprodução dos processos de transporte sedimentar dervidas a condições de agitação energéticas e turbulentas. 4.5.2. MODELO DISTORCIDO E MODELO NÃO DISTORCIDO O modelo de fundos móveis realizado será não distorcido, ou seja, a relação entre as escalas horizontais e verticais são iguais, ao contrário de num modelo distorcido, onde estas são distintas. Existem muitos pontos positivos na realização de um modelo distorcido, entre os quais a redução do espaço para o ensaio e dos custos da operação a realizar e o acentuar de declives. Porém, a interpretação dos resultados tem um grau de importância acrescido, pois a distorção do modelo implica uns efeitos que têm de ser tidos em consideração, como por exemplo a incorreta reprodução das velocidades (Silva, 2010). Tipicamente, na modelação de uma estrutura costeira é comum usar um modelo não distorcido, o qual também foi escolhido para a realização da atividade laboratorial, pois para testar as ondas do mar é Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 88 necessário que os movimentos horizontais e verticais das partículas da água sob a ação das ondas seja reproduzido com a mesma escala (Silva, 2010). Na modelação física de fundos móveis e segundo Dean 1985, garantir a semelhança num modelo não distorcido é menos complicado do que um distorcido, pois a trajectória de queda de uma partícula em suspensão têm obrigatoriamente de ser semelhante ao que acontece no protótipo, assim como o tempo de queda. Para tal isto só pode ser concretizado quando existe semelhança no que diz respeito ao parâmetro da velocidade de queda, o qual só pode ser concretizado num modelo não distorcido. Segundo Silva 2010, e citando Dean 1985, para garantir uma modelação correcta de fundos móveis, o modelo deve ser geometricamente não distorcido, os processos hidrodinâmicos devem ser reproduzidos segundo a semelhança de Froude, o modelo deve ser largo o suficiente para que os efeitos relativos a viscosidade de tensão superficial e de coesão possam ser desprezados, e garantir uma semelhança no parâmetro da velocidade de queda. 4.6. MORFOLOGIA DO MODELO 4.6.1. ESCALA Inerente a qualquer projeto, em que é necessário recorrer à modelação física é preciso definir uma escala. Esta pode ser interpretada como um quociente entre o valor de uma variável existente no protótipo e o valor que essa mesma variável tem no modelo. Graças a uma correta utilização das relações de escala, é possível extrapolar os resultados obtidos aquando da execução do modelo para o protótipo, permitindo assim uma melhor análise de todos os fatores que condicionam o protótipo em si. Para estruturas como os cilindros de geossintéticos, estes têm geralmente uma dimensão reduzida quando comparado com as dimensões de rios ou estuários, pelo que podem ser adotadas escalas relativamente grandes (Morais, 2010), os valores podem variar entre 1/10 até 1/50, sem necessitar de qualquer tipo de distorção. Para a definição da escala para a atividade laboratorial ponderou-se recorrer a uma relação dos diâmetros máximos teórico dos cilindros. Utilizando-se a relação executada na Eq. 16, onde o diâmetro máximo teórico dos cilindros no projeto, ou seja, no protótipo, era de 5m, enquanto o diâmetro máximo teórico dos cilindros existentes no Laboratório de Hidráulica da FEUP era de 16 cm. Contudo, para não alterar os cilindros existentes no Laboratório e como a altura do cilindro é a mais preponderante nas questões de galgamento, optou-se por fazer a escala referente ao diâmetro menor dos cilindros de geossintéticos que estavam definidos para ser executados no ensaio, relacionando este diâmetro com a altura de 3m do cilindro no protótipo. A atividade laboratorial vai ser executada com o recurso a dois tipos de cilindros geossintéticos diferentes, conforme foi descrito em 4.2.5, os quais, infelizmente, não tinham o mesmo diâmetro. Na Tabela 4.4 apresenta-se a escala geométrica do modelo físico. Tabela 4.4 – Definição da escala Escala dos Comprimentos (λt) Escala dos Tempos (λl) 1/21 1/√21 Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 89 4.6.2. CARACTERÍSTICAS DO MODELO Para a definição do modelo, tentou adaptar-se, com o máximo rigor possível, umas das três secções tipo, encontradas no anexo 4. A opção recaiu na secção 1, pois representava a secção mais desfavorável das três obtidas, uma vez que era nesta que tínhamos uma menor secção da praia e, consequentemente, maior debilidade do cordão dunar face às condições hidrodinâmicas inerentes ao local. O modelo foi executado no tanque de ondas do Laboratório de Hidráulica da FEUP, sendo construído sobre a praia dissipadora existente, numa direção transversal às paredes que limitam o tanque, tendo um comprimento aproximado de 8.25m e largura de 1.50m. Na Figura 4.6 está representado o perfil executado e na Figura 4.7 um esquema, em planta, do modelo no tanque de ondas do Laboratório de Hidráulica na FEUP. Figura 4.6 – Perfil tipo, do modelo ensaiado Figura 4.7 – Planta do tanque de ondas da FEUP Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 90 Na Figura 4.7 é facilmente percetível a colocação dos sistemas medidores dos níveis de água, sendo colocados em três zonas distintas, um a cerca de 2.5m à frente do modelo e os outros dois colocados a 2.5m das paredes laterais do tanque, próximas do sistema de pás. Posteriormente à definição das escalas e à seleção do perfil-tipo a executar no modelo, ponderou-se como poderia ser elaborado. O modelo teria três partes distintas entre si para que se conseguisse aproveitar ao máximo o tempo disponível. Seria então constituído pela secção A, onde se encontrava o cilindro de maiores dimensões, ou seja, o cilindro 1; seguidamente seria colocado o cilindro de menores dimensões, denominado de cilindro 2, e este local seria designado como secção B; posteriormente, seria construída a secção C a qual correspondia a uma zona não protegida, ou seja, o cordão dunar estaria totalmente exposto às condições marítimas. Posto isto, procurou definir-se as dimensões longitudinais da estrutura, em função da extensão dos cilindros existentes, conforme se constata pela Tabela 4.5. Tabela 4.5 – Comprimento, à escala, da estrutura aderente Cilindros Escala Comprimento Real da Estrutura (m) Comprimento a escala da estrutura (m) Cilindros 1 1/21 330 15.7 Pela análise da Tabela 4.5, concluiu-se que eram necessários cerca de 15m para modelar a extensão total da estrutura aderente, para os cilindros 1. Contudo, devido aos limites físicos do tanque de ondas, isto não é possível de ser concretizado. Note-se que um tamanho excessivo do modelo levaria também um a acréscimo do número de possíveis falhas técnicas. Para colmatar esta situação, procurou definirse somente um excerto da estrutura, com uma extensão de um cilindro de cada tipo. Na Tabela 4.6 encontram-se sumariados os respetivos comprimentos. Tabela 4.6 – Comprimento do modelo na Atividade Laboratorial. Cilindros Escala Nº de cilindros utilizados Comprimento de cada cilindro (m) Comprimento total do modelo na atividade laboratorial (m) Distância total do protótipo experimentado no Laboratório (m) Cilindros 1 1/21 1 2.75 2.75 57.75 Cilindros 2 1/21 1 1.70 1.70 35.7 Como os cilindros 1, se encontravam junto da parede, uma determinada secção teria de ser desprezada, isto devido ao efeito de barreira provocado pela parede do tanque, o que significa que não foi Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 91 efetivamente experimentado no modelo os 2.75m que os cilindros tinham, mas somente cerca de 2.36m. Consequentemente, para a secção definida previamente, procurou definir-se todos os seus comprimentos à respetiva escala, sendo que a designação de pontos corresponde aos locais de mudança de declive no perfil tipo escolhido. Tabela 4.7 – Comprimento do perfil da Praia a uma escala de 1/21. Ponto Cota (m) Distância ao Ponto 1 no Protótipo (m) Distância ao Ponto 1 no Modelo (cm) 1 1.02 - - 2 2 4.7 22.5 3 3 14.7 70.0 4 4.88 23.6 112.5 5 11.39 23.6 - A altura do cordão dunar teve o mesmo procedimento que a extensão transversal da praia, ou seja, procurou adaptar-se a altura no protótipo contida no perfil tipo para o modelo, estando portanto em concordância com o levantamento topográfico existente na altura. Tabela 4.8 – Altura do cordão dunar Secção Altura no protótipo (m) Altura no modelo, a escala 1/21 (cm) 1, 2,3 6.5 31 Todavia, alguns aspetos do perfil não foram executados, ou devido à dificuldade de produção destes, ou devido a informação inexistente, como a execução do tubo de ancoragem, também denominado de “apron”, o qual assume um papel fundamental na estabilidade do próprio cilindro. No que diz respeito à batimetria dos fundos, no caso de estudo, não foi possível encontrar qualquer tipo de informação para a elaboração dos perfis tipo da solução, contudo, como a ondulação do local era do tipo “spilling”, observado aquando da deslocação ao local, pode concluir-se que o solo se inclina de uma forma gradual e, portanto, levará a um declive mais suave, pormenor este que foi tido em conta na construção do modelo. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 92 4.6.3. CARACTERÍSTICAS HIDRODINÂMICAS NO MODELO As condições hidrodinâmicas existentes no modelo estavam em conformidade com o que realmente existe no protótipo. Todavia, na execução dos ensaios, estes foram realizados utilizando uma agitação regular, o que não sucede na realidade, devendo esta ser irregular. Através das condições hidrodinâmicas realizadas por Coelho, 2005 e as quais podem ser observadas na secção 4.3 da presente dissertação, estas foram adaptadas em função da escala aplicada ao cilindro 1, para os três diferentes ensaios a realizar. Tabela 4.9– Condições Hidrodinâmicas no Protótipo e no Modelo Nº ensaio realizado Protótipo Modelo Hs (m) Tp (s) Θ (º) Hs (cm) Tp (s) Θ (º) 1 1.5 8 0 7.1 1.75 0 2 2.5 10 0 11.90 2.2 0 3 2.0 9 0 9.5 1.9 0 Todavia, no sistema de geração de ondas, a altura de onda máxima está condicionada pelos critérios inerentes à rebentação da onda, assim como o limite da performance do próprio sistema gerador. A relação entre a altura de onda máxima, 𝐻𝑚á𝑥 e o período, estes independentes do tipo do sistema de geração, é citado em HR Wallingford, 2012, como: 𝐻𝑚á𝑥 = 𝐿 7∗tanh(2𝜋𝑑 𝐿) 𝑜𝑢 𝐻𝑚á𝑥 = 𝐿 10∗ tanh (2𝜋𝑑 𝐿) (22) 𝐻𝑚á𝑥 ≤0.6 ∗ 𝑑 𝑜𝑢 𝐻𝑚á𝑥 ≤0.5 ∗ 𝑑 (23) Sendo que na Eq. 21 é expresso a relação, para inúmeros estados de agitação possível, entre a altura de onda máxima, 𝐻𝑚á𝑥, que pode ser gerada, para uma determinada profundidade, 𝑑, sem ocorrência de rebentação, ao longo do seu comprimento, 𝐿. A expressão representada na Eq. 22 ilustra, segundo Marinheiro, 2013, um segundo critério, que dá uma maior segurança em relação a probabilidade de não ocorrência de rebentação das ondas, sendo que nesta equação a altura de onda máxima não deve exceder 60% ou 50% da profundidade estabelecida. Este critério tem particular importância para ondas cujas frequências sejam elevadas, por conseguinte, para períodos baixos. De referir que, o desempenho do sistema de geração é limitado pela sua excursão máxima, velocidade e força. No caso do sistema de absorção dinâmica da reflexão se encontrar ativado, a altura de onda máxima que pode ser gerada será Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 93 reduzida, isto porque o sistema de geração tem a funcionalidade de absorver as ondas ao mesmo tempo que as está a criar. Na Figura 4.8 é ilustrativo os possíveis estados de agitação regular produzidos pelo sistema de geração de ondas do Laboratório de Hidráulica da FEUP, para uma profundidade de água no modelo correspondente a 0.37m, nível de água este, correspondente à situação mais desfavorável no caso de estudo, ou seja, em condições de PMAV. Figura 4.8 – Viabilidade da execução dos estados de agitação Através da análise do gráfico, na Figura 4.8 podemos observar que, para cada condição de teste utilizada, o parâmetro relativo à altura de onda máxima encontra-se abaixo dos limites acima indicados para a máxima altura de onda no interior do tanque. O coeficiente de reflexão, associado a uma estrutura aderente em geossintéticos, pode variar conforme a sua localização, ou seja, estando mais suscetível a ação direta das ondas ou estando numa posição mais recuada, à semelhança deste ensaio. O coeficiente adotado para a ilustração anterior foi 0.3, valor característico de uma estrutura costeira com extensão transversal de praia. 4.7. PLANO DE ENSAIOS Como referido na secção 4.2.5, o modelo incorporou três situações completamente distintas, o que facilitou não só o número de ensaios a fazer, como se poupou tempo dna execução do modelo. Os ensaios consistiram em testes, cada um com a duração exata de 30 minutos, de ação contínua da agitação marítima sobre o modelo de fundos móveis executado, sendo que, durante este tempo foram analisados, a cada 5 minutos, todos os aspetos fundamentais para a interpretação nas três secções. O Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 94 nível de água no tanque de ondas era constante para qualquer um dos ensaios a serem realizados, tendo o valor correspondente de 0.37m, conforme descrito no subcapítulo anterior. Foram realizados três ensaios distintos, diferenciados pelas condições hidrodinâmicas aplicadas, sendo que, após cada um deles, proceder-se-ia à reconstrução do modelo. Note-se que no ensaio 2, o perfil da praia manteve-se inalterado em relação ao que se obteve no final do primeiro ensaio. Na Tabela 4.12 descrevem-se as propriedades de cada ensaio. Tabela 4.12 – Resumo do plano de ensaios. Nº ensaio realizado Características do Modelo Hs (cm) Tp (s) Θ (º) Δt(min) D (cm) Observações 1 7.14 1.75 0 30 37 Ao longo do ensaio 2, a morfologia era diferente em comparação aos ensaios 1 e 3. 2 11.9 2.18 0 30 37 3 9.5 1.96 0 30 37 O primeiro ensaio seria caracterizado por uma altura de onda de 7.14cm, correspondente a uma altura de onda significativa no protótipo de 1.5m, a qual é normalmente usada para o dimensionamento numa estrutura deste género, para um período de pico de 1.75cm no modelo, equivalendo a um período de pico de 8s no protótipo. No segundo ensaio, o perfil da praia era mantido inalterado face ao resultante do ensaio 1, contudo, haveria a devida retificação da posição dos cilindros. Neste ensaio a altura de onda significativa foi de 11.9cm, correspondente a uma altura de 2.5m no protótipo e um período de pico de 2.18s, ou seja, 10s no protótipo. Finalmente, o último ensaio foi executado nas mesmas condições do primeiro ensaio, mas neste a altura de onda significativa foi de 9.5cm, e período de pico de 1.96s, o que conduz a uns valores de 2m e 9s de altura de onda significativa e período de pico no protótipo. Na Figura 4.9 é representado o aspeto inicial do modelo aquando da realização do primeiro ensaio. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 95 Figura 4.9 – Aspeto inicial do perfil, previamente ao ensaio nº1 4.8. INSTALAÇÃO EXPERIMENTAL A instalação experimental foi igual independentemente do tipo de ensaio a realizar, pois, em cada ensaio, foram estudadas todas as soluções ao mesmo tempo, conforme se pode ver pela Figura 4.10. A primeira etapa na elaboração do modelo, posto que todos os detalhes referentes à sua localização e tipo de perfil a executar já se encontravam resolvidos, foi encontrar uma solução que permitisse que o perfil fosse construído em cima da praia dissipadora de modo a que a areia não se infiltrasse pelo enrocamento existente. Ponderou-se a utilização de uma geomembrana ou de uma tela em geossintéticos que se encontravam tanto no Laboratório de Hidráulica como no Laboratório de Materiais de Construção como revestimento da camada de enrocamento. A opção recaiu sobre a tela, colocando-se esta ao longo de toda a extensão da praia dissipadora, com uma largura ligeiramente superior ao modelo. Na Figura 4.10 pode ser constatado o início deste primeiro passo. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 102 desfavorável, ou seja, à situação de PMAV, correspondendo a uma altura de água no tanque de ondas de 37cm. Na Figura 4.19 é ilustrado o perfil antes do início do ensaio, onde se constata que todas as secções se encontram em concordância com o perfil estabelecido. Na Figura 4.20 são observados os dados introduzidos no programa HR Wave Maker, os quais permitiam que se desse inicio à geração de ondas e consequentemente começo do ensaio. Figura 4.19 – Perfil inicial, antes do ensaio nº 1 Figura 4.20 – Procedimento inicial, no programa HR Wave Maker para o princípio da geração das ondas A hora de início do ensaio nº 1 deu-se aproximadamente por volta das 17h e 13m, durando como dito anteriormente, exatamente 30min. Logo durante os primeiros 5 minutos do ensaio desde já se conseguiu obter alguns pontos de análise. Na Secção A, ou seja, a secção onde se encontrava o cilindro 1, constatou-se um o aparecimento de um pequeno fenómeno erosivo, particularmente na zona junto a parede ao tanque, fenómeno este explicado, devido ao fenómeno barreira já muitas vezes enunciado ao longo da dissertação, o qual provocaria a reflexão das ondas geradas, levando a um aumento da altura de onda e claro agravamento dos fenómenos erosivos, o que não espelhava efetivamente o que realmente aconteceria no protótipo e, portanto, este fenómeno será desprezado ao longo de toda a duração do ensaio. Outro aspeto a realçar, na mesma secção foi o começar do fenómeno de espraiamento, ou seja, houve a movimentação ascendente da água, vinda da onda Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 103 incidente, após a rebentação, ao longo da face da praia até à base do cilindro, isto pode ser observado na Figura 4.21. Figura 4.21 – Fenómeno de espraiamento, nos momentos iniciais do ensaio nº 1 na secção A. Contudo, não é só na Secção A que se verificavam alterações face ao perfil tipo inicial, na Secção B também se apuravam alterações, nomeadamente, ao nível do recobrimento existente sobre o cilindro 2. Apesar de este ainda se encontrar totalmente coberto nesta fase inicial do ensaio, já se observava a existência de uma arriba de erosão no pé do talude de recobrimento, sendo que era percetível o início do deslizamento deste. Na Figura 4.22 são visíveis os efeitos acima descritos, destacando-se o facto de existir uma ligeira fissura na zona perto da Secção A. Figura 4.22 – Arriba de erosão do pé de talude de recobrimento, na Secção B. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 104 Na secção C, algumas alterações puderam ser observadas nos primeiros 5 minutos de ensaio, essencialmente, em relação ao fenómeno que também estava a ocorrer na Secção A, ou seja, o espraiamento. Só que esta zona não dispunha de nenhuma estrutura de proteção contra a ação hidrodinâmica, sendo que o limite do espraiamento era muito perto do pé de talude do cordão dunar, levando a um aumento da fragilidade na zona em questão. Na Figura 4.23 é constatado este fenómeno. Figura 4.23 – Situação na Secção C numa fase inicial do ensaio nº1. Convém aferir que as secções respeitantes às juntas, Secções A-B e B-C, encontravam-se praticamente inalteradas em relação ao perfil inicial. Finalizados os primeiros 5 minutos de observação, foi esperado que voltassem a passar outros 5 minutos para que se pudesse averiguar a evolução do ensaio, prevendo-se antecipadamente que as situações das 3 secções se iriam deteriorar, face as observações obtidas ao longo do primeiro momento de observação. Na Secção A, a condição em que se apresentava o cilindro 1 era mais debilitada, pois, após o espraiamento ocorrido, verificou-se um processo de infraescavação, ao longo da base do cilindro, fenómeno que cada vez mais era acentuado com a passagem do tempo do ensaio. Isto aumentava claramente o risco de possibilidade de rolamento da estrutura e perda clara da sua funcionalidade útil. Todavia devido a sua forma “ovalada”, que era conseguinte de uma percentagem de enchimento inferior a 100%, esta instabilidade seria minimizada, mas que contudo não seria impedida. Após a observação deste processo, verificou-se claramente a necessidade de existência do “apron”, na base do cilindro, pois este impedia que houvesse erosão neste local. A Figura 4.24 mostra a situação de infraescavação na base do cilindro 1. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 105 Figura 4.24 – Infraescavação na base do cilindro 1, na secção A. Com a evolução temporal do ensaio, também se constatou uma evolução significativa na secção B. Cada vez mais, os sinais do colapso do recobrimento eram claramente mais evidentes, perspetivando – se que este iria colapsar com o evoluir do ensaio. Neste momento, foram registados os primeiros sinais de visualização do cilindro 2, que, até aos primeiros minutos se encontrava descoberto junto à secção C, o que pode ser observado na Figura 4.25. A erosão existente no pé de talude encontrava-se alinhada com o cilindro 1 existente na secção A, facto demonstrado na Figura 4.26. Figura 4.25 – Primeiro momento de visualização do cilindro 2, na secção B. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 106 Figura 4.26 – Alinhamento das secções A e B. Na secção C não havia alterações de relevo, face ao que se tinha estabelecido nos primeiros momentos da realização do ensaio, destacando-se somente o aparecimento de um pequeno efeito localizado na secção B-C, ilustrado na Figura 4.27. O motivo do aparecimento de tal fenómeno é devido ao efeito de turbulência local, originado por uma mudança brusca das secções. Figura 4.27 – Efeito localizado, na secção B-C. Na passagem dos 15 minutos de ensaio, ou seja, quando foi atingido metade da duração prevista para o ensaio, notou-se os primeiros indícios do deslocamento do cilindro 1, momento este representado na Figura 4.28, através da observação de uma fenda na areia existente no topo do cilindro. Mais uma vez salienta-se o facto da ausência do “apron” na base do cilindro, pois este confere uma maior estabilidade ao mesmo. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 107 Figura 4.28 – Fissuração na areia do topo do cilindro 1, na secção A. Nas restantes secções, neste momento do ensaio não se verificou nenhuma evolução significativa, em comparação com o momento anterior de averiguação. No tempo restante do ensaio, houve uma tendência para a estabilização do que até agora tem sido observado. Todavia ainda houve ligeiras evoluções no que diz respeito as secções A e B. Na secção A foi cada vez mais evidente o processo de rolamento no cilindro, pois a fissura existente iria aumentar de largura, sendo que esta tenha estabilizado perto do final do ensaio, devido à facilidade de adaptação do cilindro a fossa de erosão, que se tinha formado na sua base. Na Secção B, com a passagem do tempo o recobrimento existente, que estava na parte frontal ao cilindro 2, foi desaparecendo, até que por volta dos 25 minutos de ensaio este tinha desparecido completamente, deixando o cilindro visível e claramente exposto as condições hidrodinâmicas presentes no ensaio. Fenómenos de erosão na base do cilindro 2 era também já facilmente visíveis na parte final do ensaio. A secção C permaneceu praticamente inalterada, sendo verificado na secção B-C, o início do colapso do cordão dunar, note-se que este início de colapso poderá também ser devido a uma insuficiência no reforço do elemento em perpex, mostrando ai um erro na elaboração do modelo. Na Figura 4.29 é visível a evolução da fissura sobre o cilindro 1, na secção A, enquanto que na Figura 4.30 é observado, aos 20 minutos de ensaio, a ainda existência de alguma areia do recobrimento na parte frontal do cilindro 2, na secção B, e os primeiros indícios de infraescavação, junto a secção B-C. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 108 Figura 4.29 – Evolução na instabilidade por rolamento do cilindro 1 na secção A. Figura 4.30 – Estado da Secção B nos 20 minutos de ensaio. Após a conclusão do ensaio, foi analisado, criteriosamente, tudo o que passou desde o início, recorrendo-se, sempre possível, a imagem fotográfica. Na secção A, houve mudanças em comparação com o posicionamento do cilindro 1, pois este rolou ligeiramente face à sua posição original; contudo. o deslocamento não foi muito significativo e, rapidamente, se conseguiu adaptar a vala de erosão que se encontrava na sua base. Esta deslocou-se cerca de 2cm do coroamento em relação à duna, observando-se portanto uma deslocação de cerca de 40cm, no protótipo. Não só no cilindro se verificaram alterações na secção A, pois o perfil da praia que se encontrava à frente do cilindro, também sofreu algumas alterações. A largura da praia emersa era de cerca de 28cm, correspondendo a uma situação de 5.88m protótipo, sendo que esta baixou cerca de 3.5cm, ou seja, aproximadamente 70cm no protótipo, face ao perfil tipo inicial na secção. A Figura 4.31 mostra o aspeto final da secção A, após a conclusão do ensaio nº 1. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 109 Figura 4.31 – Aspeto final da Secção A, após a conclusão do primeiro ensaio. A secção B, também demonstrou uma evolução significativa, designadamente, na evolução do talude de recobrimento. O talude de areia existente à frente do alinhamento do cilindro desapareceu, deixando este completamente exposto à ação da agitação marítima, revelando uma eficácia parcial para o recobrimento. Todavia, o coroamento do talude de recobrimento ainda permaneceu coberto com areia, mas apresentava uma arriba de erosão bastante acentuada, prevendo-se que, caso o ensaio continuasse durante mais algum tempo, este acabaria também por colapsar, em semelhança ao pé de talude. Também foi verificado um fenómeno de erosão na base do cilindro 2, nomeadamente nas zonas anexas as outras secções. Na Figura 4.32, observa-se o aspeto final da secção B, após a finalização do ensaio nº 1. Figura 4.32 – Imagem final da Secção B, após a realização do ensaio nº 1. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 110 A Secção C manteve-se praticamente inalterada manifestando somente uma fissura evidente no coroamento do cordão dunar, na secção B-C, esta provocada essencialmente pelo efeito localizado que surgiu na zona e acentuada por não haver reforço adequado da zona. Note-se que também é visível a erosão, apesar de pequena, ao longo do pé do talude do cordão dunar. A largura da praia emersa frente ao cordão dunar era de cerca de 56 cm, correspondendo a um valor de 11.76m no protótipo. A Figura, 4.33 representa o aspeto final da respetiva secção, após a conclusão do ensaio nº 1 e a Figura 4.34 mostra o aspeto final do modelo nas três secções de estudo. Figura 4.33 – Fotografia lateral, ilustrativa do aspeto final da Secção C. Figura 4.34 – Aspeto final do modelo, após a conclusão do ensaio nº 1. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 111 4.9.2. ENSAIO Nº 2 Antes do início do ensaio foi proposta a realização de uma, de duas situações, para o estudo da evolução da estrutura aderente em cilindros de geossintéticos. Numa primeira situação, tentar-se-ia não mexer no modelo físico executado, ou seja, deixar o final do ensaio nº 1 como o início do ensaio nº 2. Isto significaria a realização de uma situação energética a incidir sobre o resultado precedente na estrutura, sendo simulado uma situação tempestade, em que teríamos a situação do ensaio nº 1 e depois uma situação em que as condições de agitação se teriam agravado, com altura de onda significativa e período de pico superiores. Numa segunda hipótese, eram feitas pequenas reposições no modelo, de forma a reconstituir parcialmente o modelo inicial. Entre elas, incluía-se na secção A retificar a reposição do cilindro 1, deslocando-o ligeiramente em direção à duna, pondo-o na situação inicial e, na secção B, reconstituir o talude de areia sobre o cilindro que tinha sido afetado no ensaio anterior. No que diz respeito ao perfil transversal da praia, não houve qualquer intervenção permanecendo o perfil obtido no final do primeiro ensaio inalterado. Esta segunda abordagem foi a escolhida e, portanto, antes da realização deste ensaio, foram executadas as devidas adaptações. À semelhança do ensaio anterior, este teria uma duração espectável de 30min. e uma altura de onda significativa de 2.5m no protótipo e um período de pico de 10s, correspondendo, respetivamente, a uma altura de onda significativa de 11.9cm e um período de pico de 2.18s no modelo físico em fundos móveis. Na Figura 4.35 é observado o aspeto inicial do modelo antes da realização do ensaio nº 2; na Figura 4.36 é ilustrada a alteração do perfil da praia em comparação com o estabelecido no ensaio nº 1 e, consequentemente, no perfil tipo. Finalmente na Figura 4.37 mostram-se os dados referentes à colocação dos respetivos parâmetros de agitação marítima no sistema gerador de ondas do Laboratório de Hidráulica da FEUP. Figura 4.35 – Aspeto inicial do perfil para a realização do ensaio nº 2. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 118 4.9.3. ENSAIO Nº 3 Finalizado o ensaio nº 2 e, face ao tempo ainda disponível, procedeu-se à realização de um último ensaio laboratorial. Assim, realizou-se um novo procedimento de reperfilização do modelo físico, constituindo-se o perfil inicial tipo para todas as secções, ou seja, recolocaram-se os cilindros nas suas respetivas posições, reconstituiu-se a praia, assim como, se reconstruiu o cordão dunar e o recobrimento na secção B. A Figura 4.46 mostra o trabalho de reperfilização efetuado, e na Figura 4.47 vê-se perfil inicial antes da realização do ensaio nº 3 Figura 4.46 – Trabalho de reperfilização. Figura 4.47 – Modelo Físico antes da realização do ensaio nº 3. Para a realização deste ensaio e conforme é constatado na Tabela 4.12, as condições hidrodinâmicas seriam ligeiramente superiores ao ensaio nº 1 e inferiores ao segundo ensaio. A altura de onda significativa era de 2m no protótipo o que corresponde, segundo a escala do modelo, a uma altura de 9.5cm e a um período de pico de 9s no protótipo; consequentemente, um período de pico de 1.96s no modelo. A Figura 4.48, à semelhança da Figura 4.20 e Figura 4.37, ilustra os dados introduzidos no programa HR Wave Maker do sistema gerador de ondas do Laboratório de Hidráulica da FEUP. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 119 Figura 4.48 – Introdução dos dados, no programa HR Wave Maker para realização do ensaio nº 3. A hora de início do ensaio foi aproximadamente 17:46 min, tendo uma duração semelhante à dos outros ensaios de 30 minutos. No primeiro momento de análise, ou seja, após o 5º minuto de ensaio, já eram observadas algumas alterações em comparação com o perfil do modelo físico inicial, ao longo das diversas secções de estudo. Na secção A que englobava o cilindro de maiores dimensões, o fenómeno de infraescavação da base do cilindro era evidente, assim como um afastamento em relação à sua posição de origem com cerca de 5cm, ou seja, um expectável movimento aproximado de 1m no protótipo, tendo-se estabilizado nesta distância. Também foi visível um fenómeno de rotação neste momento o que é ilustrado na Figura 4.49. Figura 4.49 – Posicionamento do cilindro 1, nos instantes iniciais do ensaio nº 3. Na secção B também se notavam alterações face ao modelo inicial. Já se encontrava bem visível todo o cilindro pois, até este momento, verificava-se o desaparecimento do recobrimento na zona frontal do mesmo, sendo que o restante se encontrava em arriba de erosão acentuada. Por fim, a extremidade junto à secção C do cilindro estava a deslocar-se, afastando-se da sua posição inicial junto à base do cordão dunar. Na Figura 4.50 é observado o instante descrito neste parágrafo. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 120 Figura 4.50 – Secção B, no 1º momento de averiguação no ensaio nº 3. Na secção C era visível o espraiamento a atingir a base da duna, sendo constatado o iniciar de um processo de ravinamento na mesma, momento este representado na Figura 4.51. Figura 4.51 – Pé da duna, na secção C, afetado pela agitação marítima nos instantes iniciais do ensaio nº 3. Após o registo dos acontecimentos anteriores, com o evoluir temporal do ensaio, assistiu-se a um adulterar das condições existentes, em especial nas secções B e C, sendo que, na secção A e no 10º minuto, a evolução do cilindro era pequena, tendo-se encontrado uma situação muito semelhante ao que se tinha constatado.. Na secção B, o talude de recobrimento estava completamente destabilizado, todavia o cilindro ainda permanecia numa posição idêntica à que tinha sido reportada minutos antes. A Figura 4.52 mostra o evoluir da situação nesta mesma secção. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 121 Figura 4.52 – Secções B e C, no 10º minuto durante o ensaio nº 3. Pela Figura 4.52 é constatada uma evolução negativa ao longo do pé de talude do cordão dunar, em especial na zona junto à Secção C, devido a um agravamento do processo de infraescavação o qual poderá pôr severamente em risco a estabilidade do mesmo. À passagem de metade de tempo previsto para o ensaio na secção A, o cilindro mantinha-se em conformidade com as situações anteriores, tendo-se definitivamente estabilizado; contudo ainda havia perda de areia na zona entre a duna e o cilindro, ou seja, no lado de tardoz. Em B, o cilindro encontrava-se desalinhado, devido às fortes investidas da agitação marítima, sendo que o recobrimento continuava fortemente afetado, mas ainda permanecia. A Figura 4.53 ilustra o estado neste preciso momento. Figura 4.53 – Secção B, durante o meio-termo do ensaio nº 3. Em C, designadamente, na proximidade do sector B, era observada uma pequena instabilidade na parte inferior do talude do cordão dunar pormenor mostrado, tanto na Figura 4.57 como na fotografia abaixo, Figura 4.54. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 122 Figura 4.54 – Instabilidade do pé de talude, durante o ensaio nº 3, na secção C. Até ao finalizar do ensaio, as condições anteriores tenderam a estabilizar, com a exceção da verificada na secção C, pois a instabilidade verificada propagou-se ao longo de mais metade da extensão da zona de cordão dunar não protegido. O talude de duna nos sectores A e B permaneceu intacto, não se verificando nenhum galgamento ao longo da duração do ensaio. Note-se que em nenhum dos dois cilindros se verificou qualquer tipo de deslocamento significativo até ao fim do ensaio. Na Figura 4.55 é ilustrada a propagação da instabilidade na secção C e nas figuras subsequentes é ilustrada a situação final encontrada nas devidas secções, respetivamente, Figura 4.56, 4.57, e 4.58, as secções A, B e C. Figura 4.55 – Propagação da instabilidade na secção C, no ensaio nº 3. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 123 Figura 4.56 – Situação final em A, após o ensaio nº 3. Figura 4.57 – Situação final após a realização do ensaio nº 3, na secção B. Figura 4.58 – Situação Final na secção C, após a realização do ensaio nº 3. Em resumo, com o aumento das condições energéticas, em comparação ao ensaio nº 1, o nível de estragos é superior, verificando-se isto em todos os sectores de estudo. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 124 Na Secção A, ilustrado na Figura 4.56, o cilindro deslocou-se aproximadamente 10cm, face à sua posição original, o que, em parte, é devido à inexistência de um mecanismo protetor na sua base, como o “apron”, estando à deriva desta infraescavação e, portanto, suscetível a uma rotação. Destaque ainda para a quase inexistência de praia emersa à frente do cilindro, mas que, contudo, não se regista qualquer dano significativo no cordão dunar, excetuando na secção junto à parede do tanque de ondas, onde o efeito parede foi mais sentido, removendo a maior parte de areia no lado de tardoz do cilindro. Na Secção B, ilustrado na Figura 4.57, houve um claro deslocamento do cilindro 2, tendo este ficado ligeiramente desalinhado mas praticamente alinhado ao cilindro da secção 1, numa posição final. Isto mostra que a segurança que o recobrimento exerce sobre o cilindro, atrasa mas não impede, o movimento desestabilizador que a agitação marítima exerce sobre os mesmos. De referir que este acabou muito afetado em comparação não só, com o aspeto inicial, mas também com o resultado final do ensaio nº 1. A semelhança do que aconteceu no sector vizinho A, o cordão dunar permaneceu intacto, não se tendo registado nenhuma fenda ou recuo. O cordão dunar existente na secção em C e ilustrado na Figura 4.58, foi claramente o mais afetado no modelo físico realizado durante o ensaio nº 3, assistindo-se no final a um aumento da instabilidade na secção inferior do talude. Devido a efeitos de modelo, a areia existente no coroamento da duna manteve-se o que difere se acontecesse no protótipo, pois, neste caso, o facto de a areia se encontrar molhada na realização do modelo, confere-lhe maior coesão entre partículas. Era plausível com a evolução do tempo para o ensaio que todo o talude da secção C fosse afetado. Isto mostra que, mesmo com uns cilindros parcialmente eficazes, o cordão dunar seria, ainda que razoavelmente, afetado. A largura média de praia emersa, verificada ao longo da extensão da secção C, foi de 20cm, um valor correspondendo a aproximadamente 4m no protótipo. 4.9.4. PLAUSÍVEIS ERROS DURANTE A REALIZAÇÃO DO MODELO FÍSICO Na elaboração de qualquer modelo físico reduzido, deve ter-se em consideração erros que poderão advir da fase de construção do modelo ou quando se realizam os respetivos ensaios. Erros de laboratório associados ao modelo, efeitos de escala ou uma incorreta precisão dos instrumentos utilizados na medição. Os principais erros de laboratório ou, por outras palavras, os efeitos de modelo, advém essencialmente durante a fase construtiva do modelo físico. Um exemplo é o areal que constituía a praia não ser uniforme ao longo de todo o modelo executado, havendo secções nomeadamente as mais afastadas da cércea guia que tinham sido executadas numa das paredes do tanque serem ligeiramente mais largas, correspondendo a um perfil de praia um pouco mais amplo do que o que existe, contribuindo, portanto, para uma menor capacidade de averiguação. Como já foi referidi, o efeito barreira proporcionado não só pela parede do tanque, como também pela reflexão das ondas nas pás do sistema de geração da agitação, agrava as condições de agitação nos locais mais próximos deste, pois, segundo Silva (2010), a interação não-linear das ondas geradas pode dar origem a harmónicas de ordem superior em ondas regulares e, consequentemente, ao aumento da capacidade erosiva. Na Figura 4.59 é ilustrado este mesmo efeito aquando se realizava o ensaio nº 3, pois proporciona condições totalmente inexistentes no protótipo. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 125 Figura 4.59 – Efeito barreira durante o ensaio nº 3, no modelo físico. Para minimizar o efeito junto às pás geradoras e como está descrito na secção 4.3.2, o sistema de geração incorpora um sistema de absorção ativa; todavia junto às paredes do tanque não houve qualquer dispositivo que atenuasse este efeito. O reforço não adequado da barreira de perspex nos primeiros ensaios, poderá ter levado à excessiva fissuração do cordão dunar, designadamente na secção B-C. Para facilitar a construção do modelo, foi usada areia húmida e ao longo da construção do modelo, este era constantemente regado, de modo a que a areia obtivesse uma maior coesão evitando o colapso do mesmo; porém, isto implica um efeito do modelo, pois no protótipo a areia é seca e aquando da iteração da agitação marítima no talude do cordão dunar, este acabaria por colapsar, o que efetivamente não aconteceu, como se constata na Figura 4.59. O cilindro de geossintéticos de maior dimensão não se encontrava totalmente cheio, havendo uma secção descompensada. Esta zona foi colocada junto à parede do tanque a qual seria afetada pelo efeito barreira e, portanto, seria desprezada aquando da análise da iteração da estrutura com as condições hidrodinâmicas aplicadas. Associados aos efeitos de laboratório, também existem os efeitos de escala, tendo estes origem numa reprodução defeituosa dos fenómenos no modelo físico, devendo-se isto a uma impossibilidade de executar todos critérios de semelhança ao mesmo tempo. Para uma melhor compreensão destes efeitos pode recorrer-se a uma averiguação através de uma comparação dos resultados obtidos com os modelos físicos construídos em diferentes escalas, avaliando-se quais os parâmetros dimensionais que não se mantêm constantes. Devido a estes efeitos alguns dos parâmetros não correspondem de igual forma no modelo e no protótipo. Segundo Marinheiro (2013), os efeitos de escala serão tanto maiores quanto menor for o fator geométrico a que o modelo é construído, ou seja, para atenuar estes efeitos negativos convem construir o modelo físico com as dimensões mais próximas possível do protótipo, obtendo-se assim uma maior escala. O presente trabalho laboratoria foi condicionado pelos cilindros pré-existentes, tendo sido usados os maiores, de forma a atenuar o efeito de escala associado. Os principais efeitos de escala provém da inexequibilidade de adotar os critérios de semelhança descritos em 4.5.1 e, como se recorreu a um critério de semelhança de Froude, os processos hidrodinâmicos foram mais afetados devido às dissimilitudes associadas a outros critérios, como as forças de Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 126 viscosidade e a tensão superficial, prevendo-se que estes pudessem ser mal reproduzidos, afetando fenómenos de transformação de ondas, como, por exemplo, a reflexão e a rebentação. Os principais efeitos de escala devido às forças tensões superficiais traduzem-se num amortecimento do movimento da superfície livre, tendo também uma possibilidade de influenciar a celeridade das ondas reproduzidas e consequentemente uma incorrecta de alguns fenómenos de agitação marítima.(Silva, 2010). Ao utilizar-se uma semelhança segundo Froude, os processos turbulentos são reproduzidos com um nível de satisfação adequado, todavia com a redução do número de Reynolds no modelo físico, faz com que os efeitos viscosos sejam mais pronunciados. No que respeita aos processos sedimentares, as dissimititudes destes podem provocar efeitos de escala num modelo de fundos móveis, sendo que a sua origem é principalmente devido a uma incorrecta simulação do tamanho dos grãos de areia (Kampuis, 1984). Em Kampuis, 1984, é retratado os efeitos de escala em modelos costeiros de fundos móveis, considerando vários parâmetros que têm relevo para os processos de transporte sedimentar tais como a densidade relativa e o número de Froude densimétrico. O efeito associado à escolha do fluido na realização do ensaio laboratorial, pois os cilindros de geossintéticos são utilizados na proteção costeira e, portanto, estão em contacto com a água do mar, tendo esta um peso volúmico ligeiramente superior ao da água doce que é geralmente utilizada nos modelos físicos reduzidos. Porém, o efeito de escala inerente ao fluido é pequeno pois a relação de escala entre estes é muito próxima da unidade, e segundo Morais (2010) citando Quintela (2007), os efeitos de escala resultantes da não consideração das forças de viscosidade são tão maiores quanto a escala geométrica se afastar da unidade. Erros provenientes das medições devem-se fundamentalmente aos equipamentos que registam a medição dos níveis hidrodinâmicos no tanque de ondas do Laboratório de Hidráulica da FEUP. A incerteza destes resultados poderá implicar uma repetição do ensaio e nova calibração do instrumento de medição. Para mitigar tal efeito, os medidores eram constantemente limpos antes do início de cada ensaio, assim como havia sempre um processo de calibração prévia, dos mesmos. Modelação Laboratorial de uma estrutura aderente em cilindros de geossintéticos 127 5 APRECIAÇÃO FINAL Segundo alguns autores o uso dos geossintéticos, como elemento protetor na engenharia costeira, tem tido uma boa taxa de sucesso nas suas aplicações em ambientes não muito energéticos (agitação marítima). Todavia, para garantir tal efeito, há que dimensionar a intervenção de uma forma coerente e correta de forma a minimizar riscos que inviabilizem a estabilização da estrutura e uma perda clara da sua capacidade. Um bom uso da estrutura em geossintéticos pode levar a uma poupança significativa, no que concerne a custos de investimento e a um menor impacte no ambiente costeiro. Ao longo desta dissertação, deu-se a conhecer quatro tipos distintos de utilização do material geossintético na engenharia costeira: os elementos encapsulados com areia ou com outro material, como os sacos, contentores, cilindros e como filtro em revestimentos. Como se constata, existe já uma vasta experiência a nível mundial na aplicação destas estruturas, como por exemplo na Austrália e nos Estados Unidos da América, não obstante ainda alguma falta de “know-how”. A presente dissertação tem como objetivo principal o estudo do comportamento de uma estrutura de cilindros em geotêxtil, “inspirado” na aplicação a um caso de estudo em Moledo do Minho procurando antecipar-se, em modelo físico a uma escala reduzida, o comportamento que a estrutura inovadora poderá ter. A intervenção em Moledo do Minho só ocorre após a conclusão desta dissertação. O modelo físico conforme foi explicitado no decorrer do capítulo 4, tentou representar a uma escala 1/21, uma réplica de uma determinada secção da praia de Moledo do Minho, segundo o levantamento topográfico de 2011, optando-se pela situação mais crítica em termos de extensão transversal do comprimento do perfil da praia. Para simular as condições de agitação marítima locais, foram utilizados dados de Coelho, 2005 relativos à costa noroeste portuguesa. Foram utilizadas variações de altura de onda significativa entre 1.5 a 2.5m e períodos de pico entre os 8 e 10s. Para comparar o que efetivamente acontecia na situação onde eram implantados os cilindros de geossintéticos, foram consideradas no modelo outras situações que podiam ser relacionadas com a praia de Moledo do Minho, tais como a utilização de um cilindro de menores dimensões, comparativamente ao projeto inicial e uma outra hipótese onde não havia qualquer mecanismo de proteção na praia. Cumulativamente, a utilização de cilindros de menores dimensões permitiu simular também uma situação a diferente escala, em que o cilindro com o diâmetro de projeto estivesse a ser atuado por agitação mais severa. No decorrer dos ensaios, tentou-se concretizar todos os objetivos pré estabelecidos, estudando-os no tempo instituído para a duração dos ensaios. Obtiveram-se as seguintes conclusões: