ESTUDO EXPERIMENTAL SOBRE OS EFEITOS DO CAMPO DE
VELOCIDADES DO CLAPOTIS EM LEITOS DE ESTRUTURAS DE
GRAVIDADE
Waldir Terra Pinto, Ph.D.
Professor Coordenador do Laboratório de Interação Fluido Estrutura (LIFE), Escola de
Engenharia - Universidade Federal do Rio Grande – FURG. [email protected]
Juana Waterkemper Fernandes
Acadêmica do curso de Engenharia Civil Costeira e Portuária, Escola de Engenharia Universidade Federal do Rio Grande – FURG. [email protected]
Débora Martins Machado, D.Sc.
Pesquisadora vinculada ao Programa de Pós Graduação em Engenharia Oceânica Universidade Federal do Rio Grande – FURG. [email protected]
Resumo. Estruturas em regiões confinadas
sofrem incidência de ondas que são
refletidas ao largo, levando à criação de
ondas estacionárias ou quasi-estacionárias.
Desta onda estacionária surge um
movimento contínuo de subida e descida
que, dependendo da sua distância ao fundo,
causa o retrabalhamento do solo do leito
marinho. Este movimento é chamado de
clapotis e o mesmo pode levar à erosão do
material de fundo e, consequentemente, à
perda da integridade da estrutura de
contenção. Este trabalho apresenta um
estudo experimental sobre a ação de uma
onda estacionária em dois diferentes tipos
de solo (coesivo e não coesivo), a fim de
investigar a relação entre a onda, o solo e a
erosão do fundo.
Palavras-chave: Clapotis; Erosão em leito
marinho; Engenharia Costeira.
1.
INTRODUÇÃO
Leitos marinhos em regiões confinadas,
como Portos, por exemplo, estão sujeitos à
redistribuição do seu volume devido à ação
das pressões hidrostáticas geradas por ondas.
Devido à verticalidade da estrutura de
contenção, pode haver reflexão completa ou
parcial da onda e esta reflexão pode gerar
ondas estacionárias (clapotis). O clapotis cria
um campo de velocidades que, caso alcance
o fundo, pode deixar a estrutura instável ou,
dependendo da finalidade da estrutura, tornar
a área em seu entorno inútil, devido ao
acúmulo de sedimento proveniente da erosão
adjacente à estrutura.
Construções sujeitas à força do mar
requerem um grande cuidado quanto à
consideração dos sedimentos no projeto
(ALFREDINE E ARASAKI, 2009). Além
dos parâmetros hidrodinâmicos do mar
(altura significativa de onda, velocidade das
correntes, marés etc), fundamentais para a
elaboração do projeto de construção em si,
um projeto de engenharia costeira deve levar
em conta também, o impacto que vai gerar
no local de sua construção (como
instabilidades praiais, por exemplo). A
estabilidade de uma praia ou região costeira
se dá, principalmente, pelo transporte de
sedimentos. O excesso de chegada de
sedimento numa praia ou leito de estrutura
costeira leva ao assoreamento, inutilizando o
local (vide portos). Já a falta de sedimento,
leva à erosão e esta traz consigo, a extinção
de praias e a desestabilização das estruturas
marítimas, que vem a ser o motivador deste
estudo. Assim, o objetivo deste trabalho é
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estudar, experimentalmente e analiticamente,
o comportamento hidrodinâmico da onda
estacionária ao colidir com uma parede
vertical,
focando
principalmente
no
escoamento do fluido na porção mais ao
fundo do loco da pesquisa. O estudo
completo conta com uma parte experimental
e outra analítica. Neste trabalho serão
apresentados
somente
os
resultados
experimentais devido à limitação de
tamanho imposta pelo artigo. A parte
experimental foi subdividida em três: A
primeira parte compreendeu a criação de um
ambiente capaz de simular regiões
confinadas (para testar a metodologia a ser
aplicada). A segunda parte, o estudo
experimental da dinâmica de sedimentos não
coesivos (areia fina) sob a ação de ondas e a
terceira parte, e principal foco do trabalho, o
estudo experimental de sedimentos coesivos
(lama comercial) sob a ação de ondas.
Para o estudo do clapotis, uma parede
vertical confeccionada de alumínio, foi
encaixada no canal de ondas do LIFE,
simulando uma estrutura de contenção.
Ondas com períodos predeterminados foram
geradas (Tabela 1) e os campos de
velocidade formados, ao colidirem com a
parede, foram medidos com o PIV (Particle
Image Velocimetry). A instrumentação
consistiu ainda de dois Waveprobes (wp1 e
wp2, para medir a elevação da onda) e um
Vectrino (para medir a velocidade do
escoamento no clapotis).
A análise dos dados foi feita através de
rotinas implementadas no MatLab e Python,
além da análise visual pelas imagens
capturadas pelo sistema de câmeras do PIV.
2.
Tipo de solo de
fundo
METODOLOGIA
O experimento foi realizado no canal de
ondas do Laboratório de Interação Fluido
Estrutura (LIFE), lotado na Escola de
Engenharia da Universidade Federal do Rio
Grande – FURG. O canal possui 16m de
comprimento com seção retangular de 0,71m
de largura por 0,79m de altura. A
configuração inicial para os estudos
referentes ao comportamento de leitos
marinhos frente ao ataque de ondas foi a
seguinte: uma seção de testes com 1,0m de
comprimento e 0,12m de altura foi criada
com o intuito de simularmos um banco de
sedimento (Fig.1).
Figura 1. Configuração do experimento (mantida
tanto para sedimento coesivo quanto para sedimento
não coesivo). Inicialmente, somente a parede de
contenção foi colocada, sem o banco de sedimento,
para a validação da metodologia a ser empregada.
Tabela 1. Condições hidrodinâmicas do experimento
(predefinidas) e do escoamento (velocidades
medidas). Profundidade da lâmina d’água foi mantida
em 0,38m.

(g/cm3)
T
(s)
Velocidade do
escoamento ( )
1.0
0.012 cm/s
1.85
0.08 cm/s
2.5
0.05 cm/s
1.0
0.10 cm/s
Lama
(Caulinita +
1.30
1.85
0.27 cm/s
bentonita)
2.5
0.07 cm/s
Onde: - velocidade de escoamento; T - período da
onda gerada e  - densidade do sedimento.
Areia muito
fina
3.
2.59
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A fim de validarmos a metodologia a ser
empregada, a primeira etapa do trabalho
consistiu na criação de uma região
confinada. Para isso, uma placa de alumínio
foi confeccionada e fixada no canal
(conforme Fig.1 mostrada anteriormente). O
aparato experimental montado se mostrou
eficiente, conseguindo simular bem um
ambiente confinado, inclusive gerando ondas
estacionárias (Fig.2–a, b) como esperado.
Com a metodologia validada, o próximo
passo foi a confecção de um banco de areia
fina (segunda etapa do trabalho) e de um
banco de lama (terceira etapa do trabalho),
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simulando dois tipos diferentes de leito
marinho (não coesivo e coesivo). Ambos
foram nivelados para que ficassem o mais
regular possível.
(a)
(b)
Figura 2. Verificação da metodologia adotada: (a)
Gráfico de uma onda estacionária, modelo teórico e
(b) Gráfico da onda estacionária, resultado
experimental. No eixo y: elevação (cm) e no eixo x:
intervalo de amostragem (s)
Mantendo as mesmas condições
hidrodinâmicas, os experimentos foram
conduzidos para os dois diferentes tipos de
fundo (Fig. 3).
Elevação Waveprobe1
3
Visualmente, tanto o banco simulado
com sedimento não coesivo (areia fina)
quanto com sedimento coesivo (lama)
sofreram alterações devido à passagem da
onda estacionária. Para o banco de areia
(=2.59 g/cm3) a onda gerada no canal, com
T=2.5s, conseguiu movimentar o fundo,
causando a formação de “sandripples”
(Fig.4), que são ondulações causadas no leito
marinho (em profundidades rasas) pela
passagem da onda. Entretanto, não houve
ressuspensão do sedimento.
Figura 4. Formação de “sandripples” para o
experimento com sedimento não coesivo (areia fina).
Já para o banco de lama (=1.2 g/cm3),
houve ressuspensão do sedimento até a
metade da coluna d’água para os três
períodos de onda gerados, sendo a onda com
T=2.5s a que mais ressuspendeu,
pormovendo uma maior expulsão de
sedimentos da área de estudos (transporte ao
longo do canal). Esta ressuspensão foi
captada pelo sistema PIV (Fig.5).
Elevação (cm)
2
1
0
-1
-2
-3
0
20
40
60
80
100
120
Intervalo de amostragem (s)
Figura 3. Onda estacionária para o experimento com
lama (para T=2,5s).
Figura 5. Imagem capturada pelo PIV mostrando a
suspensão de sedimentos para o experimento
realizado com lama fluida. Os pontinhos brancos na
imagem correspondem aos sedimentos em suspensão.
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Em águas costeiras onde a profundidade
é rasa, quando a onda consegue “mexer”
com o fundo, uma corrente (ou deriva),
induzida pela mesma, é formada logo acima
do fundo, fazendo com que haja um
transporte residual de sedimento no sentido
da onda (DEAN & DALRYMPLE, 1991).
No caso das ondas estacionárias geradas
no laboratório, estas correntes induzidas ou
“correntes de expulsão” (assim chamadas
por que movem o sedimento de lugar),
geradas
pelo
clapotis,
foram
significativamente menores nas areias,
chegando a ser até oito vezes menores
(Tabela 1) em comparação com o fundo
lamoso.
Em função dos resultados pouco
similares obtidos para as velocidades do
escoamento, algumas considerações são
apresentadas: Quando a onda é capaz de
retrabalhar o sedimento tão vigorosamente, a
ponto de formar ripples, sua corrente de
expulsão vai sofrer uma diminuição de
intensidade, levando a um menor transporte
de sedimento. Isso por que, além do atrito
com os grãos de areia, que possuem
granulometria mais grosseira, as feições do
ripples também absorvem a energia da
corrente. Já para o sedimento mais fino, no
caso lama, as velocidades das correntes de
expulsão serão maiores, pois o fundo não
oferece atrito. Como a lama (que é um
material basicamente composto de argila e
silte) está fluida ( = 1,2g/cm3), a formação
do clapotis acaba por facilitar à erosão do
fundo próximo a parede de contenção,
ressuspendendo
e
transportando
o
sedimento, podendo ocasionar danos à
estrutura.
Entretanto, os primeiros resultados
foram bastante satisfatórios, mostrando
diferenças significativas no campo de
velocidades do escoamento devido à
formação do clapotis e aos diferentes tipos
de sedimento de fundo.
A continuação desta pesquisa de
iniciação científica prevê a continuação dos
experimentos, utilizando argilas (lama) com
densidades diferentes (mais e menos fluidas)
combinadas com diferentes inclinações da
parede que simula a estrutura de contenção.
Além disso, o resultado será analisado
analiticamente
também,
com
o
desenvolvimento de um modelo analítico. O
grande objetivo é conseguir obter uma
relação entre o tipo de leito marinho, a
inclinação da estrutura de contenção e a ação
das pressões dinâmicas da onda sob o fundo,
para que assim esta relação torne-se um
parâmetro a mais nos projetos de construção
civil em ambientes costeiros.
4.
DEAN, R. G.; DALRYMPLE, R. A.; Water
Wave Mechanics for Engineers and
Scientists. London – UK: World Scientific
Press, 1991. 368p.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Este trabalho de pesquisa está em sua
fase inicial. Assim, neste primeiro conjunto
de ensaios propostos, o objetivo principal foi
o de validar a metodologia empregada e
buscar o treinamento no uso dos
equipamentos de medição.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao CNPq (PIBICFURG) pela bolsa de Iniciação Científica
concedida à segunda autora para o
desenvolvimento da pesquisa.
5.
REFERÊNCIAS
ALFREDINI, P.; ARASAKI, E. Obras e
Gestão de Portos e Costas. São Paulo, SP –
Brasil: Editora Blucher, 2009. 804p.
BEER, T. Environmental Oceanography.
2ª edição; Boca Raton, California – USA:
CRC Press, 1997. 400p.
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