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Fundamentos da Topografia Topografia Diretor Executivo DAVID LIRA STEPHEN BARROS Gerente Editorial CRISTIANE SILVEIRA CESAR DE OLIVEIRA Projeto Gráfico TIAGO DA ROCHA Autoria LAIS MACEDO DANTAS ALEXSANDRO DE ALMEIDA PEREIRA AUTORIA Lais Macedo Dantas Sou formada em Arquitetura e Urbanismo, com uma pós-graduação em Design de Interiores, e trabalho atualmente como autônoma na área de arquitetura e escrevendo aulas. Sou apaixonada pelo que faço e adoro transmitir minha experiência de vida àqueles que estão iniciando em suas profissões. Por isso, fui convidada pela Editora Telesapiens a integrar seu elenco de autores independentes. Estou muito feliz em poder ajudar você nesta fase de muito estudo e trabalho. Conte comigo! Alexsandro de Almeida Pereira Sou arquiteto e urbanista graduado pela Universidade Federal de Juiz de Fora (2007) e mestre pelo Programa de Pós Graduação em Arquitetura e Urbanismo (PPGAU) da Universidade Federal Fluminense (UFF) com enfoque na área de Habitação de Interesse Social. Sou membro do corpo docente do grupo ITEC, em que leciono para o curso de Arquitetura e Urbanismo da faculdade TECSOMA diversas disciplinas ligadas a projeto arquitetônico. Fui, ainda, membro do NDE e coordenador substituto do curso de Arquitetura e Urbanismo por seis meses e lecionei para o curso de Engenharia Civil das faculdades Atenas e FINOM de Paracatu — MG durante o período de dois anos e meio. Sou responsável pelo escritório Moinho, atuando nas mais diversas áreas de Projeto Arquitetônico, e ex- presidente do Instituto dos Arquitetos do Brasil (IAB), núcleo de Juiz de Fora – MG, na gestão 2014-2016. Participei como Delegado da revisão do Plano Diretor da Cidade de Juiz de Fora (2015) e fui Conselheiro do Conselho Municipal de Meio Ambiente (CONDEMA) de Juiz de Fora, participando da elaboração do Plano Municipal de Saneamento Ambiental de Juiz de Fora (2013). Por isso, fui convidado pela Editora Telesapiens a integrar seu elenco de autores independentes. Estou muito feliz em poder ajudar você nesta fase de muito estudo e trabalho. Conte comigo! ICONOGRÁFICOS Olá. Esses ícones irão aparecer em sua trilha de aprendizagem toda vez que: OBJETIVO: para o início do desenvolvimento de uma nova compe- tência; DEFINIÇÃO: houver necessidade de se apresentar um novo conceito; NOTA: quando forem necessários obser- vações ou comple- mentações para o seu conhecimento; IMPORTANTE: as observações escritas tiveram que ser priorizadas para você; EXPLICANDO MELHOR: algo precisa ser melhor explicado ou detalhado; VOCÊ SABIA? curiosidades e indagações lúdicas sobre o tema em estudo, se forem necessárias; SAIBA MAIS: textos, referências bibliográficas e links para aprofundamen- to do seu conheci- mento; REFLITA: se houver a neces- sidade de chamar a atenção sobre algo a ser refletido ou dis- cutido sobre; ACESSE: se for preciso aces- sar um ou mais sites para fazer download, assistir vídeos, ler textos, ouvir podcast; RESUMINDO: quando for preciso se fazer um resumo acumulativo das últi- mas abordagens; ATIVIDADES: quando alguma atividade de au- toaprendizagem for aplicada; TESTANDO: quando o desen- volvimento de uma competência for concluído e questões forem explicadas; SUMÁRIO O Que São e Para que Servem os Estudos e os Projetos Topográficos .................................................................................................. 10 Definição de Topografia ..............................................................................................................10 Definição de Projetos Topográficos ................................................................................... 13 Para que Servem os Projetos Topográficos .............................................. 14 Benefícios dos Projetos Topográficos ......................................................... 14 Topografia e suas Aplicações ............................................................................................... 15 Topografia e sua Execução em Obra ................................................................................18 Forma e Dimensões da Terra .................................................................. 21 Conceito da Forma e Dimensão da Terra ...................................................................... 21 Geodésia ................................................................................................................................................22 Modelos Terrestres ........................................................................................................................23 Elipsoide e seus Elementos ...................................................................................................27 Sistemas de Coordenadas ....................................................................................27 Aplicações da Geodésia ............................................................................................................29 Medições de Ângulos e Distâncias no Relevo Terrestre ............. 33 Revisão Matemática ......................................................................................................................33 Medida de Comprimento (metro) .....................................................................33 Medida Angular .............................................................................................................34 Revisão de Trigonometria Plana ........................................................................35 Medição de Ângulos .....................................................................................................................37 Medição de Distâncias ................................................................................................................ 41 Tipos de Medições ......................................................................................................42 Instrumentos de Medidas Topográficas ............................................44 Instrumentos para Medir Distância ...................................................................................44 7 UNIDADE 01 Topografia 8 INTRODUÇÃO Você sabia que a área da topografia é uma das mais importantes na Arquitetura e Engenharia e que é responsável por construir cada vez mais construções? Isso mesmo, pois, sem esse conhecimento em relação aos conceitos de topografia, não é possível realizar levantamentos topográficos. Vamos aprender sobre a definição do conceito de topografia, identificando suas várias áreas de aplicação como também compreender a forma e as dimensões do relevo terrestre, discernindo sobre as dificuldades impostas ao processo de construção civil e agricultura, medir ângulos e distâncias no relevo terrestre e identificar e saber diferenciar a aplicação dos instrumentos de medidas topográficas — assuntos extremamente essenciais da topografia. Ao longo desta unidade letiva, você vai mergulhar nesse universo! Topografia 9 OBJETIVOS Olá. Seja muito bem-vindo à Unidade 1. Nosso objetivo é auxiliar você no desenvolvimento das seguintes competências profissionais até o término desta etapa de estudos: 1. Definir o conceito de topografia, identificando suas várias áreas de aplicação. 2. Compreender a forma e as dimensões do relevo terrestre, discernindo sobre as dificuldades impostas ao processo de construção civil e agricultura. 3. Medir ângulos e distâncias no relevo terrestre. 4. Identificar e discernir sobre a aplicação dos instrumentos de medidas topográficas. Topografia 10 O Que São e Para que Servem os Estudos e os Projetos Topográficos OBJETIVO: Ao término deste capítulo, você será capaz de entender o significado e a aplicação dos projetos topográficos. Isso será fundamental para o exercício de sua profissão. As pessoas que tentaram fazer projetos arquitetônicos sem a devida instruçãotiveram problemas ao realizar a construção dos edifícios. Motivado para desenvolver essa competência? Então vamos lá. Avante!. Definição de Topografia O estudo da topografia é extremamente essencial em áreas de estudo nos dias de hoje. Com o passar dos anos, a tecnologia em relação à topografia evoluiu muito, o que fez ser possível representar o relevo da Terra com precisão mais exata. DEFINIÇÃO: Do grego, ‘topos’ significa lugar e ‘grafia’ significa escrever. A topografia estuda também as luas e os planetas. Ela é imprescindível para a ciência cartográfica, analisando minunciosamente as áreas, a altitude, o perímetro, entre outros conceitos que ajudam no levantamento das cartas topográficas, e quem é responsável por isso é o topógrafo. Para evitar os erros de cálculos de desníveis e acidentes topográficos, é necessário fazer os mapas topográficos, pois eles ajudarão na construção do projeto, seja comercial, residencial ou industrial. É importante frisar que para áreas pequenas se faz o uso da topografia, já em áreas grandes, como continentais e globais, se refere a geodésia. Topografia 11 Figura 1 – Terreno Fonte: Pixabay A topografia divide-se em: topologia, topometria e fotogrametria. Figura 2 – Organograma da topografia Topografia Topometria Topologia Planimetria Altimetria Planialtimetria Fonte: Elaborado pelos autores (2021). Topografia 12 A partir do levantamento topográfico, a topologia faz o tratamento e interpreta os dados, facilitando, assim, a sua execução. De acordo com a NBR 13133 (ABNT, 1991, p. 3), Norma Brasileira para execução de Levantamento Topográfico, o levantamento topográfico é definido por: Conjunto de métodos e processos que, através de medições de ângulos horizontais e verticais, de distâncias horizontais, verticais e inclinadas, com instrumental adequado à exatidão pretendida, primordialmente, implanta e materializa pontos de apoio no terreno, determinando suas coordenadas topográficas. A estes pontos se relacionam os pontos de detalhe visando a sua exata representação planimétrica numa escala pré-determinada e à sua representação altimétrica por intermédio de curvas de nível, com equidistância também pré-determinada e/ou pontos cotados. (ABNT, 1991, p. 3) A topometria é responsável pela medição de ângulos, desníveis e distâncias e pode ser dividida em planimetria, altimetria e planialtimetria. A topografia tem seus conceitos, como escala e curvas de níveis. A escala pode ser gráfica ou numérica, em que se reduz o tamanho do terreno na medida para representar a razão entre a dimensão do terreno e a dimensão real do espaço em que vai ser proposta a obra. Por exemplo, para terrenos de condomínios fechados, é possível fazer maquetes representando todo o terreno. Já a fotogrametria é realizada por meio de fotos de pequenos trechos da Terra para representação, podendo ser aérea ou terrestre. Figura 3 – Escala gráfica Fonte: Pixabay As curvas de níveis representadas em uma carta cartográfica, com linhas imaginárias e com a soma dos pontos da mesma altura do terreno, são simbolizadas por “camadas”. Topografia 13 Figura 4 – Curvas de níveis Fonte: Junior, Neto e Andrade (2014, p. 154). A topometria pode ser em duas formas: a primeira, com equipamentos sobre a superfície terrestre, por meio da taqueometria – com o avanço, os aparelhos eletrônicos facilitaram mais esse estudo do terreno. A outra forma seria com equipamentos acima da superfície terrestre, que são técnicas que se modernizaram com o tempo, como o sensoriamento remoto e a técnica dos satélites artificiais. Definição de Projetos Topográficos Para poder entender o que são os projetos topográficos é preciso entender como eles são feitos na prática. Para a elaboração de representações gráficas de uma determinada superfície, é necessário que se faça o levantamento topográfico, uma das etapas mais importantes. Feito todo o detalhamento com os dados, é possível fazer uma representação fiel do terreno. Com isso, são feitos mapas topográficos para realizar a representação do relevo. Neles, é possível ver as curvas de níveis para indicação das elevações. A precisão do projeto vai de acordo com nível de escala de ampliação mais detalhado. Antigamente, os topógrafos realizavam os levantamentos topográficos manualmente, já, hoje em dia, são realizados por meio de Sistema de Posicionamento Global (GPS). Topografia 14 Figura 5 – Terreno Fonte: Freepik Para que Servem os Projetos TopoGráficos A topografia serve para indicar onde existem ecossistemas específicos. Ela pode ser usada também para encontrar espécies em extinção como também plantas e animais. Serve, ainda, para identificar as características naturais e artificiais de qualquer área, utilizando o GPS. Além disso, ajuda a identificar os rios e córregos que estão sujeitos a inundações e a identificar as movimentações das placas tectônicas. Benefícios dos Projetos Topográficos A exploração geológica e o planejamento militar são umas das diversas aplicações para o estudo e a elaboração de um projeto topográfico. Para um bom planejamento de qualquer obra civil, é necessário um detalhamento melhor sobre as características do terreno. O Google Maps é uma plataforma de navegação em larga escala que foi desenvolvida por meio do satélite e que busca dados completos sobre a Terra. Os dados das pesquisas geográficas desenvolvem os mapas e projetos topográficos e ajudam na estrutura do projeto, seja um projeto comercial, residencial ou industrial. Topografia 15 Com o mapa e o projeto topográfico, o profissional responsável pela obra terá dados necessários sobre aquela determinada área antes de começar a planejar a obra, com recursos com mais precisão. Ele também fornecerá qualquer alteração que tiver na Terra, isso garantirá ao profissional que a estrutura seja adequada, mesmo sem começar a realizar sua obra. Outros benefícios dos projetos topográficos são a garantia de que a obra seja durável, já que, com os levantamentos topográficos, é possível entender a topografia do terreno. Com isso, é mais difícil cometer erros em obras, o que garante o controle de qualidade da obra. Topografia e suas Aplicações A topografia é essencial para engenheiros e arquitetos, pois é a primeira etapa do projeto. Com a topografia, é possível determinar os relevos da Terra, a partir das curvas de níveis, identificando os altos e baixos do terreno, sendo possível fazer o cálculo de dois níveis e da quantidade de terra quando for preciso fazer aterro ou corte no terreno. Com isso, é possível construir pontes, estradas, edificações, túneis, entre outros. EXEMPLO: A topografia pode ser aplicada em diversas áreas da Engenharia e Arquitetura: • Construções civis, como ferrovias, rodovias, viadutos, túneis, portos, locação de obras. • Terraplanagem. • Ciências florestais e agrárias, como reflorestamentos para o controle e para irrigação e drenagem. • Aeroportos. • Usinas hidrelétricas. • Hidrografia. • Paisagismo. • Urbanismo, como o zoneamento das cidades. Topografia 16 • Geologia, geotecnia e mineração, fazendo o levantamento para construção de jazidas, estruturas rochosas. • Área industrial, fazendo nivelamento de grandes estruturas. • Defesa nacional, como demarcação de divisas, entre outros exemplos. O topógrafo, profissional responsável, deve realizar três etapas: • Ida ao campo. • Medição do terreno com equipamentos topográficos. • Aplicação nas plantas topográficas, utilizando escalas de redução. Figura 6 – Túnel Fonte: Pixabay A topografia pode ser utilizada também em áreas, como a Geologia, Oceanografia. É uma das ferramentas mais importantes e que se mais utiliza na sociedade, já que ela ajuda a desenvolver grandes estruturas, conhecer e estudar o terreno, evitando, assim, possíveis prejuízos materiais e humanos. Topografia17 Para se fazer o estudo do terreno, com mapa e projetos topográficos, é necessário a utilização de equipamentos topográficos. Podemos citar alguns, como: teodolito, nível topográfico, mira, estação total, GNSS, estaca, entre outros. Para áreas de difícil acesso, são utilizados drones para a realização do levantamento topográfico. Figura 7 – Equipamento topográfico Fonte: Pixabay A topografia segue as normas locais, regionais e nacionais. Como exemplo de alguns profissionais que já cursaram a disciplina de topografia e que podem atuar na área, tanto nível técnico como na graduação, cita-se: • Técnicos: Mecânica, meio ambiente, geoprocessamento, entre outras. • Graduação: Arquitetura e Urbanismo, Engenharia Civil, de minas, ambiental, cartográfica, entre outras. Topografia 18 Topografia e sua Execução em Obra Para facilitar a execução em obra, a topografia auxilia em diversas partes do projeto, como a demarcação dos limites do terreno, locação de estacas e pilares. Figura 8 – Nivelamento do terreno Fonte: Pixabay Outro exemplo é saber se será preciso fazer aterro ou nivelamento do terreno, nivelamento de pisos e lajes, entre outros. Figura 9 – Nivelamento de piso Fonte: Pixabay Topografia 19 A topografia pode ajudar tanto antes de começar a obra como depois da sua execução, fazendo o controle da estrutura que foi construída, como também identificando deslocamentos na estrutura. IMPORTANTE: Quando se fala em topografia, em relação a terrenos pequenos, precisão é o termo que mais se adapta. Cometer alguns erros, seja em ângulos ou distâncias, escalas de reduções, erros do recuo mínimo ou nos dados de planimetria e altimetria pode causar altos gastos e um retrabalho imprevisível. Portanto, deve-se atentar corretamente na hora de fazer o levantamento topográfico. A topografia pode ser relacionada a várias disciplinas da ciência, como a geodésia, que estuda a forma e dimensão da Terra. A partir das medidas lineares e angulares, é possível saber áreas, volumes, coordenadas, entre outros. Para isso, é necessário o conhecimento sobre os instrumentos, as técnicas de medição, a metodologia dos cálculos e estimar a precisão (KAHMEN; FAIG, 1988). Para Brinker e Wolf (1977), a topografia pode ser classificada em cinco etapas: • Tomada de decisão: métodos de levantamentos, equipamentos que serão utilizados, como também as posições que irão fazer na hora do levantamento. • Trabalho de campo: em que as gravações de dados e medições são feitas. • Cálculos: para a determinação de coordenadas e volumes, por meio de cálculos mediante medidas que foram levantadas. • Mapeamento: os mapas e as cartas são feitos por meio dos cálculos e das medidas. • Locação. Topografia 20 Outras ciências que podemos citar são a cartografia, aerofotogrametria, sensoriamento remoto, geoprocessamento e o GPS. RESUMINDO: Gostou do que lhe mostramos? Aprendeu mesmo tudinho? Agora, só para termos certeza de que você realmente entendeu o tema de estudo deste capítulo, vamos resumir tudo o que vimos. Você deve ter aprendido que a topografia é de fundamental importância para a construção civil. Afinal, ela é decisiva para subsidiar projetos, apoiar a tomada de decisões e minimizar erros, visto que é de bastante importância o estudo sobre o entorno do projeto em que será implantado. Estamos falando de uma área do conhecimento aplicável em todas as etapas da obra, capaz de prover segurança técnica e a melhor execução dos projetos. É de suma importância que os profissionais estejam atualizados nos elementos topográficos para que possam desenvolver os projetos arquitetônicos com excelência. Topografia 21 Forma e Dimensões da Terra OBJETIVO: Ao término deste capítulo, você será capaz de entender a forma e as dimensões do relevo terrestre. Isso será fundamental para o exercício de sua profissão, sabendo discernir sobre as dificuldades impostas ao processo de construção civil e da agricultura. E então? Motivado para desenvolver essa competência? Vamos lá. Avante!. Conceito da Forma e Dimensão da Terra Antigamente, o homem imaginava que a forma da Terra seria uma superfície plana, e, com o passar dos anos, admitiram que a Terra tinha forma esférica. Com as ideias de Newton, pensaram que a Terra tinha uma forma de um elipsoide, sendo achatada nos polos. Já no começo do século XX, estudiosos sobre esse assunto indicaram um geoide para representar a forma dela. Dessa forma, centenas de teorias foram criadas com o passar do tempo. VOCÊ SABIA? A forma e a dimensão da Terra vêm sendo um tema bastante pesquisado em todo o mundo, mesmo com as várias teorias e os conceitos para a definição da forma da Terra. A teoria de que a Terra é redonda é hoje a mais aceita na sociedade científica. Devido aos movimentos das placas tectônicas, à erosão e às condições climáticas, a superfície terrestre vem sofrendo alterações, portanto não se pode dizer que a esfera da superfície terrestre é uma esfera perfeita. Topografia 22 Geodésia A geodésia é uma ciência que estuda a forma e a dimensão da terra. Ela divide-se em três: a superfície física terrestre, o geoide e o elipsoide. • A superfície física terrestre é bastante difícil para ser modelada, pois possui infinitas saliências e seu o terreno possui irregularidades. • A geoide é a figura que mais se aproxima da verdadeira forma terrestre. • A elipsoide foi criada para representar o nosso planeta, em forma de elipse, achatada nos polos. Figura 10 – Diferenças entre as três formas Fonte: Veiga, Zanetti e Faggion (2012, p. 10). Uma boa semelhança entre a topografia e a geodésia é em relação à construção com estruturas mais resistentes com lajes, vigas, juntamente com as etapas complementares, que são as portas, paredes, janelas. Por esse motivo, a geodésia determina vértices de amarração no território que tenham coordenadas precisas. Por outro lado, a topografia e cartografia sustentam os vértices geodésicos, segurando os acidentes geográficos e as construções, como rodovias, caminhos, rios. Topografia 23 EXEMPLO: A geodésia pode ser dividida em quatro classificações: • Geométrica: em relação à forma da elipsoide e do geoide. • Física: em relação à gravimetria. • Astronômica: em relação aos azimutes, à longitude e latitude. • Por satélite: em relação às coordenadas e à forma da Terra pelo GPS. Podemos citar alguns exemplos dos problemas que existem na geodésia que nos ajudam a entender a natureza e os seus objetivos: • Conhecer a forma e dimensão da terra. • Representação da elipsoide nos mapas. • Estudo da movimentação da crosta terrestre. • Estudo da elipsoide como superfície de referência. • Atividades geodésicas em campo para solucionar problemas. • Diferenciação do nível do mar e das altitudes e das cotas. Modelos Terrestres A Terra possui um raio de 6.371 km, muitas irregularidades, com elevações e depressões em sua superfície topográfica, e gira em torno do seu eixo vertical em 23 horas 56 minutos e 4,09 segundos. Por causa das irregularidades e da complexidade da Terra, não é possível determinar matematicamente sua superfície e forma. Para isso, constroemse mapas e trabalha-se com aproximações. Na geodésia, os tipos de modelos terrestres podem classificar-se em quatro: plano, geoide, elipsoide e esférica. O modelo plano considera a superfície da Terra sendo plana, o que facilita os cálculos topográficos, contendo dimensões limitadas, com limite de 20 a 30 km para esse plano. A NBR 13133 considera até os 80 km na execução de levantamento topográfico. Para isso, representa-se nesse plano as coordenadas X,Y,Z. Topografia 24 Figura 11 – Plano em topografia Eixo X Eixo YEixo Z PN PS Plano de projeção 90º 90º Fonte: Veiga, Zanetti e Faggion (2012, p. 13). Veiga, Zanetti, Faggion (2012) afirmam que a geoide é uma superfície equipotencial do campo da gravidadeou superfície de nível, utilizado como referência para as altitudes ortométricas (distância contada sobre a vertical, do geoide até a superfície física) no ponto considerado. (VEIGA, ZANETTI, FAGGION, 2012, p.11) A linha que é perpendicular às duas superfícies equipotenciais, por exemplo a um fio de um prumo de um teodolito, é chamada de linha de força ou vertical, simbolizando a direção do vetor gravidade, como mostra a figura 12. Figura 12 – Vertical Fonte: Veiga, Zanetti e Faggion (2012, p. 11). Topografia 25 IMPORTANTE: Os erros de esfericidade acontecem quando o topógrafo não considera o limite máximo da área que deve ser trabalhado. O levantamento topográfico é realizado sobre a superfície curva da Terra, com isso quanto maior a distância da origem do plano, consequentemente, maior o erro. Figura 13 – Erro de esfericidade Plano topográfico Superfície da Terra Fonte: Junior, Neto e Andrade (2014, p. 10). De acordo com Veiga, Zanetti e Faggion (2012, p. 8), o conceito da elipsoide é a figura geométrica gerada pela rotação de uma semielipse (geratriz) em torno de um de seus eixos (eixo de revolução); se esse eixo for o menor, tem-se um elipsoide achatado. Com isso, define-se que a elipsoide de revolução são os semieixos maior (a) e menor (b) da elipse, dada pela equação, em que f é o achatamento, como mostra a Figura 14. Topografia 26 Figura 14 – Elipsoide = semi-eixo da elipse = semi-eixo menor da elipse (1.2) Fonte: Veiga, Zanetti e Faggion (2012, p. 9). As coordenadas geodésicas elipsódicas em torno de um ponto classificam-se em latitude geodésica e longitude geodésica. DEFINIÇÃO: Veiga, Zanetti e Faggion (2012, p. 9) conceituam a latitude geodésica ( ) como “ângulo que a normal forma com sua projeção no plano do equador, sendo positiva para o Norte e negativa para o Sul.” Eles também conceituam a longitude geodésica ( ) como: “ângulo diedro formado pelo meridiano geodésico de Greenwich (origem) e do ponto P, sendo positivo para Leste e negativo para Oeste.” . Figura 15 – Coordenadas elipsódicas Fonte: Veiga, Zanetti e Faggion (2012, p. 10). A reta normal que corta é ortogonal, passando pelo ponto P. Topografia 27 Elipsoide e seus Elementos Sistemas de Coordenadas Existem três etapas para se fazer um levantamento topográfico, que são: medição do terreno utilizando equipamentos, realização dos sistemas de coordenadas cartesianas e cartas topográficas. É necessário que as coordenadas relativas dos pontos sejam simbolizadas em um sistema de coordenadas e sejam expressas em dois tipos: as cartesianas e as esféricas. • Sistema de coordenadas cartesianas: para que a representação de um ponto no plano seja bidimensional ou tridimensional, são utilizadas as coordenadas cartesianas, que possuem eixos ortogonais compostos por duas retas Y e Y, que são perpendiculares, dando origem no cruzamento entre esses dois eixos. Figura 16 – Coordenadas cartesianas bidimensionais Origem Fonte: Veiga, Zanetti e Faggion (2012, p. 5). No caso do sistema de coordenadas cartesianas, a tridimensional será representada pelos pontos X, Y, Z, os quais são ligados ao mesmo tempo em um ponto só, chamado de origem. Topografia 28 Figura 17 – Coordenadas cartesianas tridimensionais Fonte: Veiga, Zanetti e Faggion (2012, p.6). • Sistema de coordenadas esféricas: entre o ângulo , formado pelo semieixo OX, e o ângulo , formado pelo semieixo OR, é criado um afastamento entre a origem, dando origem ao ponto R. Figura 18 – Coordenadas esféricas Fonte: Veiga, Zanetti e Faggion (2012, p. 7). E, por último, o modelo esférico é representado pela esfera, sendo representado por meio de globos em que não é apresentada irregularidade em sua superfície, quando, na verdade, sabemos que há. Topografia 29 Figura 19 – Globo terrestre Fonte: Pixabay Aplicações da Geodésia A geodésia pode ser aplicada em várias áreas, como: • Produção de mapas: a partir de vértices geodésicos georreferenciados para a realização dos mapeamentos cartográficos. Figura 20 – Mapeamento cartográfico Fonte: Pixabay Topografia 30 • Planejamento urbano: a geodésia é aplicada nos projetos de urbanismo, identificando e localizando as vias urbanas, por meio de georeferenciamento de pontos de controle geodésico. Figura 21 – Planejamento urbano Fonte: Pixabay • Projetos de obras: em projetos com grandes estruturas, como pontes, viadutos e grandes edifícios, é preciso estudar a sua melhor localização para a construção. Figura 22 – Viadutos Fonte: Pixabay Topografia 31 • Ecologia: atividades, como extração de petróleo, movimento de Terra, devem ser monitoradas pela geodésia. Figura 23 – Extração de petróleo Fonte: Pixabay • Hidrologia: a geodésia fornece informações referentes às bacias hidráulicas, sabendo, assim, o posicionamento e os mapas. • Engenharia da eletricidade: localização de linhas de transmissão como também casas de força. Figura 24 – Linhas de transmissão Fonte: Pixabay Topografia 32 • Outras aplicações podem ser utilizadas na geodésia, como a produção de mapas para cartografia temática e demarcação de limites territoriais. RESUMINDO: E então? Gostou do que lhe mostramos? Aprendeu mesmo tudinho? Agora, só para termos certeza de que você realmente entendeu o tema de estudo deste capítulo, vamos resumir tudo o que vimos. Você deve ter aprendido que existem quatro tipos de modelos terrestres: plano, geoide, elipsoide e esférico. É de suma importância que os profissionais se atentem aos erros de esfericidade, visto que é importante que os topógrafos considerem os limites das áreas, minimizando erros. Você deve ter aprendido também sobre latitude geodésica e longitude geodésica. Além disso, é imprescindível o conhecimento sobre as coordenadas cartesianas, que se dividem em bidimensional e tridimensional, e sobre o sistema de coordenadas esféricas. Sendo assim, a geodésia é importante para aplicação em várias áreas, como produção de mapas, planejamento urbano, projeto de obras, ecologia, hidrologia, engenharia da eletricidade, entre outros. Topografia 33 Medições de Ângulos e Distâncias no Relevo Terrestre OBJETIVO: Ao término deste capítulo, você será capaz de aprender a calcular os ângulos e as distâncias do relevo terrestre. Isso porque saber discernir as dificuldades impostas ao processo do cálculo da topografia do terreno será fundamental para o exercício de sua profissão. E então? Motivado para desenvolver essa competência? Então vamos lá. Avante!. Revisão Matemática Para entender sobre o assunto que iremos falar, vamos revisar as unidades e a trigonometria. As unidades de medida podem ser as medidas de comprimento (metro) e medida angular, enquanto a trigonometria refere-se às relações trigonométricas no triângulo retângulo, e o teorema de Pitágoras, às relações métricas com o triângulo retângulo. Medida de Comprimento (metro) A unidade metro foi definida como unidade padrão de comprimento, em 1971, pela Academia de Ciência de Paris. Sendo o metro a unidade de representação de medidas de comprimento, são dados alguns prefixos. Quadro 1 – Prefixos Fonte: Veiga, Zanetti e Faggion (2012, p. 21). Topografia 34 Medida Angular A medida angular é classificada em radiano, unidade sexagesimal e unidade decimal. Para Veiga, Zanetti e Faggion (2012, p. 22), a medida angular “é o ângulo central que subentende um arco de circunferência de comprimento igual ao raio da mesma.” Figura 25 – Arco de um ângulo Fonte: Veiga, Zanetti e Faggion (2012, p. 22). • Na unidade sexagesimal, um grau equivale a 1/360 da circunferência. • Na unidade decimal, um grado equivale a 1/400 da circunferência. Topografia 35 Revisão de Trigonometria Plana Estuda-se sobre as relações trigonométricas no triângulo retângulo para o estudo dos lados e ângulos de um triângulo. A soma dos ângulos internos (alpha e beta) e o ângulo de90 resulta-se em 180º. Figura 26 – Triângulo retângulo Fonte: Veiga, Zanetti e Faggion (2012, p. 26). Seno Cosseno Tangente Em relação ao teorema de Pitágoras, Veiga, Zanetti e Faggion (2012, p. 2) afirmam que “o quadrado do comprimento da hipotenusa é igual à soma dos quadrados dos comprimentos dos catetos”, o que pode ser simbolizado pela equação: a²= b² + c² Topografia 36 IMPORTANTE: É importante lembrar que as funções trigonométricas não têm medida, ou seja, elas são simplificadas, como: E, por último, nas relações métricas com o triângulo retângulo, são definidos alguns elementos, como: • B, c: são catetos. • H: é a altura referente à hipotenusa. • A: hipotenusa. • M, n: projeções ortogonais dos catetos (b, c). Figura 27 – Triângulo retângulo Fonte: Veiga, Zanetti e Faggion (2012, p. 26). Para definir alguns valores das projeções ortogonais, utiliza-se a seguinte fórmula: Para calcular a h, a fórmula é: Além disso, existe a fórmula: Topografia 37 Medição de Ângulos Na topografia, é necessário realizar os cálculos de medição de ângulos e de distâncias. Os ângulos são classificados em ângulos horizontais e ângulos verticais. Figura 28 – Ângulos horizontais Direita Rumo Azimute Ângulos horizontais Ângulos diretos Deflexões De orientação Internos Externos Esquerda Fonte: Elaborado pelos autores (2021). O teodolito é o instrumento utilizado para leitura dos ângulos, como também o transferidor, que tem a mesma finalidade. Figura 29 – Teodolito Fonte: Pixabay Topografia 38 Para medir os ângulos horizontais, num plano horizontal, é preciso que ele esteja perpendicular ao eixo, determinando um ponto topográfico. É possível analisar os ângulos horizontais na Figura 30. Figura 30 – Ângulos horizontais Fonte: Junior, Neto e Andrade (2014, p. 40). A depender da origem, podem ser diretos, que se classificam em interno e externo, como também podem ser deflexões, que se classificam em direita e esquerda e, por último, os de orientação, que são o azimute e o rumo. • Azimute: como afirmam Junior, Neto e Andrade (2014): O Azimute é o ângulo horizontal, de orientação, que tem sua origem sempre no norte verdadeiro ou magnético até o alinhamento da poligonal em questão, variando de 0º a 360º. Se o norte utilizado for o geográfico, o resultado será um azimute geográfico; caso seja o norte magnético o resultado será um azimute magnético. (JUNIOR; NETO; ANDRADE, 2014, p. 43) Topografia 39 Figura 31 – Circulo azimutal Fonte: Junior, Neto e Andrade (2014, p. 43). • O rumo, como afirmam Junior, Neto e Andrade (2014) é: O menor ângulo horizontal, de orientação, formado pela orientação norte magnética, norte geográfica, sul magnética ou sul geográfica até o alinhamento da poligonal em questão. Se caso o norte/sul for geográfico, o resultado será um rumo geográfico e se caso o norte/ sul for magnético, o resultado será um rumo magnético. Esse ângulo de orientação tem sua origem no norte ou sul (onde estiver mais próximo do alinhamento em questão) até o alinhamento no sentido horário ou anti-horário, onde estiver mais próximo do alinhamento, variando de 0º a 90º. (JUNIOR; NETO; ANDRADE, 2014, p. 44) Figura 32 – Círculo do rumo Fonte: Junior, Neto e Andrade (2014, p. 44). Topografia 40 Já em relação aos ângulos verticais, eles são localizados no plano vertical, determinado pelo topógrafo, a partir de uma origem em um local determinado e classificam-se em ângulos zenital, nadiral e de inclinação. Figura 33 – Ângulos verticais Ângulos verticais Nadiral De inclinação Zenital Fonte: Elaborado pelos autores (2021). • Os ângulos zenitais contam no zênite 0º indo até o nadir 180º. • Os ângulos de inclinação vão do 0º até zênite 90º e até o nadir 90º. • Os ângulos nadirais vão do nadir 0º até o zênite 180º. Figura 34 – Ângulo zenital, de inclinação e nadiral, respectivamente. Fonte: Junior, Neto e Andrade (2014, p .41). Topografia 41 Medição de Distâncias Para se calcular as distâncias na topografia, é necessário que o terreno tenha uma forma de uma figura geométrica, composta por distâncias e ângulos. As quatro distâncias principais são as distâncias horizontais, vertical, inclinada e, por último, a distância natural do terreno. Figura 35 – Principais distâncias Fonte: Junior, Neto e Andrade (2014, p. 49). A distância horizontal é a distância entre dois pontos A e B que sejam perpendiculares no plano horizontal. EXEMPLO: Ao se construir uma casa, quando um terreno tem um decline acentuado. Para isso, é necessário calcular a inclinação do terreno, para se fazer um corte nele. Portanto, a distância inclinada será descartada, e somente a distância horizontal será utilizada. Figura 36 – Corte no terreno Fonte: Junior, Neto e Andrade (2014, p. 50). Topografia 42 Em relação à distância vertical, ela é perpendicular à distância horizontal. E a distância inclinada é a distância dos pontos A e B. A topografia vem buscando aprimoramento em relação à medição de distâncias e ângulos de um terreno, como a acurácia (exatidão) e a precisão. De acordo com Junior, Neto e Andrade (2014): A precisão é obtida quando são realizadas diversas mensurações, as quais resultam em valores bastante próximos uns dos outros. Na verdade, pode-se dizer que precisão é algo relativo, pois comparam-se diferenças de valores de medidas entre si, podendo ou não estarem próximas do valor real. Quanto mais próximos os valores obtidos, maior será a precisão. Já a acurácia (exatidão) é relacionada à proximidade dos valores obtidos de uma medida com relação ao valor real dessa medida. Assim, quanto mais próximos os valores obtidos estiverem do valor real de uma medida, maior será a acurácia. (JUNIOR; NETO; ANDRADE, 2014, p. 50) Tipos de Medições Elas classificam-se em três tipos: estimativas, diretas e indiretas. • A estimativa visual é quando o topógrafo vai inicialmente ao terreno e avalia a área a ser trabalhada, para que se tenha uma noção do espaço. Mas, feita uma análise do terreno, utilizam-se procedimentos de medição diretas e as indiretas. • Medição direta: quando não utilizam funções matemáticas para se obter qualquer medida do terreno, como a trena, hidrômetro, passo médio, entre outros. • Medição indireta: utilizam as funções matemáticas para obter qualquer medida do terreno, podem ser as eletrônicas e a taqueométrica. As eletrônicas são realizadas por meio de instrumentos que utilizam laser para se obter as distâncias, como a trena eletrônica e a estação total. E, com a taqueometria, é possível calcular a distância horizontal entre um ponto e outro, por meio do teodolito, nível de luneta e do acessório, chamado mira- falante, a partir de leitura e valores. Topografia 43 Figura 37 – Instrumento para calcular distância Fonte: Pixabay RESUMINDO: E então? Gostou do que lhe mostramos? Aprendeu mesmo tudinho? Agora, só para termos certeza de que você realmente entendeu o tema de estudo deste capítulo, vamos resumir tudo o que vimos. Você deve ter aprendido que na topografia é necessário realizar as medições tanto de ângulos, como de distâncias. Para isso, é importante o estudo das medidas de comprimento m², medida angular e a trigonometria, que são as relações trigonométricas no triângulo retângulo. Importante também é o conhecimento sobre o teorema de Pitágoras e as relações métricas do triângulo retângulo. O capítulo ainda decorre sobre os ângulos verticais e horizontais que precisam do teodolito, visto que é o instrumento essencial para a leitura de ângulos. Topografia 44 Instrumentos de Medidas Topográficas OBJETIVO: Ao término deste capítulo, você será capaz de saber quais são os instrumentos utilizados para fazer as medidas topográficas. Saber discernir qual é o instrumento e a sua finalidade será fundamental para o exercício de sua profissão. E então? Motivado para desenvolver essa competência?Então vamos lá. Avante!. Instrumentos para Medir Distância Alguns instrumentos são utilizados para medir distâncias, como trenas, piquetes, estacas testemunhas, balizas, nível de cantoneira, mira, teodolito, nível de luneta, estação total, GNSS, entre outros. • Trenas: as trenas possuem diversos tipos (digital, manual e trena fibra de vidro) – esta é feita de um material super resistente. A maioria das trenas tem sua forma circular ou forma de uma cruzeta, com ou sem envólucro. A trena de fibra de vidro tem menos desgaste em relação as outras e é bastante resistente e muito utilizada entre os topógrafos. Figura 38 – Tipos de trenas Fonte: Veiga, Zanetti e Faggion (2012, p. 47). Topografia 45 • Piquetes: são utilizados para marcar os extremos do alinhamento de uma área a ser medida. São feitos de madeira roliça ou são marcados na sua superfície com uma área plana, sendo marcados no topo, com pregos ou tachinhas, com um comprimento de 15 a 30 cm, e seu diâmetro varia de 3 a 5 cm. Ele é implantado no solo do terreno que será medido, mas deve ficar aparente, pois sua finalidade é marcar um ponto topográfico. • Estacas testemunhas: facilitam a localização dos piquetes, servindo como uma indicação da posição. Possuem uma marcação na parte de cima, para indicar o nome ou o número do piquete. Figura 39 – Piquete e estaca Fonte: Veiga, Zanetti e Faggion (2012, p. 49). Elas são localizadas perto dos piquetes, a uma distância de 30 a 50 cm, sendo que comprimento delas varia de 15 a 40 cm, com o diâmetro tendo o mesmo tamanho do piquete. Topografia 46 Figura 40 – Estaca Fonte: Junior, Neto e Andrade (2014, p. 17) • Balizas: quando é necessário criar vários lances, os topógrafos utilizam as balizas para que mantenham o alinhamento entre um ponto e outro. Elas têm em seu comprimento a cor branca e vermelha, para fazer o contraste da cor do céu e da vegetação, proporcionando, assim, uma melhor visualização ao fazer a medição. Figura 41 – Balizas Fonte: Veiga, Zanetti e Faggion (2012, p. 49). As balizas têm o comprimento de 2 metros, sendo divididas em quatro partes de 0,5 m. Seu material pode ser madeira, ferro ou alumínio. Podemos citar três formas em que se aplicam com as balizas: a primeira é quando ela auxilia para fazer a medição do ângulo horizontal. Topografia 47 Figura 42 – Primeira forma Fonte: Junior, Neto e Andrade (2014, p. 18). A segunda forma é quando o terreno tem um declive, assim utilizam-se as estacas para fazer um alinhamento dos pontos A até o B. Figura 43 – Segunda forma Fonte: Junior, Neto e Andrade (2014, p. 18). A terceira forma é quando ela é utilizada para a realização do teorema de Pitágoras. Topografia 48 Figura 44 – Terceira forma Fonte: Junior, Neto e Andrade (2014, p. 18). • Nível de cantoneira: é um instrumento com forma de cantoneira que possui uma bolha no seu centro para que o topógrafo possa segurar em sua posição vertical em cima do piquete ou sobre qualquer outro alinhamento. Figura 45 – Nível de cantoneira Fonte: Veiga, Zanetti e Faggion (2012, p. 50). Topografia 49 IMPORTANTE: Deve-se ter alguns cuidados ao utilizar instrumentos topográficos, para se ter uma qualidade das distâncias, como utilizar de forma correta os acessórios, realizar a manutenção do alinhamento, manter sempre a trena horizontal e deixar que a tensão seja igual em todas as extremidades. • Mira: pode ser chamada também de mira-falante, de mira estadimétricas ou de estádia. Seu material pode ser madeira ou alumínio, e ela deve ser localizada em cima do ponto topográfico, totalmente na posição vertical. É simbolizada por tracinhos que equivalem a 10 mm cada. Figura 46 – Mira-falante Fonte: Junior, Neto e Andrade (2014, p. 19). Topografia 50 O uso dos fios inferior, médio e superior é voltado para medir distâncias horizontais; para medidas verticais, é utilizado somente o médio. Figura 47 – Fio inferior, médio e superior Fonte: Veiga, Zanetti e Faggion (2012, p. 56). • Tripés: são acessórios que auxiliam o apoio de teodolitos, níveis de luneta, antenas GNSS, estações totais, entre outros. Podem ser de alumínio ou madeira. Os de alumínio são bastante utilizados, pois são mais leves que os de madeira. Figura 48 –Tripé Fonte: Pixabay Topografia 51 • Teodolito: faz a medição de ângulos verticais com as balizas e para medição de ângulos horizontais, com o auxílio das miras falantes. Figura 49 – Teodolito Fonte: Junior, Neto e Andrade (2014, p. 22). • Nível de luneta: equipamento que serve para medir distâncias verticais, mas também pode medir distâncias horizontais, com ajuda da mira-falante. É formado por uma luneta e um sistema de pêndulos, localizado dentro do equipamento. Figura 50: Nível de luneta Fonte: Junior, Neto e Andrade (2014, p. 23). • Estação total: para se obter medidas de ângulos, distâncias, coordenadas, é o instrumento indicado para representação gráfica de um terreno, pois seus dados são armazenados no aparelho e depois pode ser repassado a um computador, facilitando todo Topografia 52 seu trabalho. Com esse aparelho, mesmo em campo, o topógrafo pode alterar seus dados por meio de um computador. De acordo com Junior, Neto e Andrade (2014): Nas medições é utilizado o conjunto bastão e prisma, colocado nos pontos a serem levantados e/ou locados. Bastão é um acessório de material metálico, em que se acopla em sua parte superior o prisma para auxílio nas medições com estação total. (JUNIOR; NETO; ANDRADE, 2014, p. 24) Figura 51 – Estação total Fonte: Pixabay Na estação total, para se fazer a medição, é necessário atribuir um ponto, que se chama estação ocupada. Depois disso, é necessária uma orientação para a estação total, em que se coloca o bastão e a prisma (esse ponto se chama a RÉ [referencial]) e a partir disso, o topógrafo já começa a medir os pontos de interesse. Topografia 53 Figura 52 – Primeira estação Fonte: Junior, Neto e Andrade (2014, p. 25). Quando for necessária a medida de outra estação, é preciso que já se tenha dois pontos medidos, um com a estação total e o outro com o prisma com suas devidas coordenadas. Depois disso, realiza-se as novas medidas. Figura 53 – Segunda estação Fonte: Junior, Neto e Andrade (2014, p. 25). Os autores Junior, Neto e Andrade (2014) conceituam estação total, estação e estação ocupada como: Estação total é o instrumento; estação é o local onde se encontra o instrumento; e estação ocupada são os valores de coordenadas para o local onde se encontra o Topografia 54 instrumento. Tanto estação quanto estação ocupada são pontos topográficos. (JUNIOR; NETO; ANDRADE, 2014, p. 25) • GNSS: é a sigla em inglês de Global Navigation Satellite System, que, traduzido, significa Sistema Global de Navegação por Satélite. É um tipo de sistema que localiza tridimensionalmente um objeto em qualquer lugar da Terra. Os aparelhos recebem ondas de rádio que são transmitidas pelos satélites. Ele possui alguns sistemas como o GPS, GLONASS, COMPASS. O GPS, que em inglês significa Global Positioning System – sendo sua tradução Sistema de Posicionamento Global – foi originado nos Estados Unidos e possui 24 satélites a mais de 20.000 km da Terra em seis planos orbitais. Figura 54 – Constelação e plano orbital, respectivamente. Fonte: Junior, Neto e Andrade (2014, p. 26). O GLONASS, em russo, Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema, (Sistema de Navegação Global por Satélite), possui três planos orbitais com oito satélites em cada. De acordo com Junior, Neto e Andrade (2014): Para se ter a localização de um objeto na Terra são necessários no mínimo quatro satélites, porém quanto maior a quantidade de satélites disponíveis ao receptor, Topografia 55 melhor será a exatidão da localização geográfica da antena do receptor na superfície da Terra. (JUNIOR; NETO; ANDRADE, 2014, p. 28)Figura 55 – Constelação e plano orbital Fonte: Junior, Neto e Andrade (2014, p. 27). RESUMINDO: E então? Gostou do que lhe mostramos? Aprendeu mesmo tudinho? Agora, só para termos certeza de que você realmente entendeu o tema de estudo deste capítulo, vamos resumir tudo o que vimos. Você deve ter aprendido que os equipamentos topográficos são utilizados para medição de distâncias. Alguns desses componentes para utilização no desenvolvimento do projeto podem ser considerados, como trenas, piquetes, estacas testemunhas, balizas, nível de cantoneira, mira, teodolito, nível de luneta, estação total e GNSS. Esses equipamentos auxiliam o profissional a realizar as medições de um terreno, seja este em pequena ou grande escalas, como é o exemplo do GPS. Sendo assim, fica estabelecida a importância do estudo e da utilização desses equipamentos para que se possa desenvolver um estudo correto do entorno. Topografia 56 REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 13133: Execução de levantamento topográfico. Rio de Janeiro, p. 35, 1994. BRINKER, R. C.; WOLF, P. R. Elementary Surveying. 6 ed. New York: Harper & Row, 1977. 568p. JUNIOR, J. M; NETO, F. C; ANDRADE, J. da S. Topografia Geral. Recife: EDUFRPE, 2014. Disponível em: https://repository.ufrpe.br/ bitstream/123456789/2418/1/livro_topografiaGeral.pdf. Acesso em: 1 jul 2021. KAHMEN, H. FAÍG, W. Surveying. New York: De Gruyter, 1988. VEIGA, L. A.; ZANETTI, M. A.; FAGGION, P. L. Fundamentos de topografia. Curitiba: UFPR, 2012. Disponível em: http://www.cartografica. ufpr.br/docs/topo2/apos_topo.pdf. Acesso em: 1 jul 2021. Topografia https://repository.ufrpe.br/bitstream/123456789/2418/1/livro_topografiaGeral.pdf https://repository.ufrpe.br/bitstream/123456789/2418/1/livro_topografiaGeral.pdf http://www.cartografica.ufpr.br/docs/topo2/apos_topo.pdf http://www.cartografica.ufpr.br/docs/topo2/apos_topo.pdf O Que São e Para que Servem os Estudos e os Projetos Topográficos Definição de Topografia Definição de Projetos Topográficos Para que Servem os Projetos TopoGráficos Benefícios dos Projetos Topográficos Topografia e suas Aplicações Topografia e sua Execução em Obra Forma e Dimensões da Terra Conceito da Forma e Dimensão da Terra Geodésia Modelos Terrestres Elipsoide e seus Elementos Sistemas de Coordenadas Aplicações da Geodésia Medições de Ângulos e Distâncias no Relevo Terrestre Revisão Matemática Medida de Comprimento (metro) Medida Angular Revisão de Trigonometria Plana Medição de Ângulos Medição de Distâncias Tipos de Medições Instrumentos de Medidas Topográficas Instrumentos para Medir Distância
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