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Escola de Engenharia da Universidade Presbiteriana Mackenzie Portos, Rios e Canais II NOTAS DE AULA PORTOS, RIOS E CANAIS II Patrícia Dalsoglio Garcia FEVEREIRO – 2013 SUMÁRIO 1 NOÇÕES DE OCEANOGRAFIA ................................................................ 6 1.1 Introdução ............................................................................................. 6 1.2 Oceanografia ......................................................................................... 7 1.3 Importância da Oceanografia ................................................................ 8 1.4 Relevo Submarino ................................................................................. 8 1.5 A origem dos oceanos ........................................................................... 9 1.6 Propriedades Físico-Químicas da Água do Mar .................................. 10 1.6.1 Massa Específica Relativa (densidade) ........................................ 10 1.6.2 Temperatura ................................................................................. 11 1.6.3 Salinidade ..................................................................................... 12 1.6.4 Pressão ........................................................................................ 14 1.6.5 Ventos .......................................................................................... 14 2 ONDAS ..................................................................................................... 17 2.1 Introdução ........................................................................................... 17 2.2 Movimentos do mar ............................................................................. 17 2.3 Geração e Propagação das ondas de gravidade ................................ 20 2.4 Definição Matemática da onda de oscilação ....................................... 21 2.5 Ondas Reais ....................................................................................... 24 2.6 Observação de ondas ......................................................................... 27 2.7 Deformação das ondas nas proximidades da costa ............................ 28 2.7.1 Refração ....................................................................................... 28 2.7.2 Difração ........................................................................................ 29 2.7.3 Reflexão ....................................................................................... 30 2.7.4 Arrebentação ................................................................................ 31 3 MARÉS ..................................................................................................... 32 3.1 Introdução ........................................................................................... 32 3.2 Forças que produzem as marés .......................................................... 32 3.3 Altura e Período de maré .................................................................... 33 3.4 Observação de marés ......................................................................... 38 3.5 Previsão de marés .............................................................................. 39 3.6 Maré Meteorológica............................................................................. 41 4 CORRENTES MARÍTIMAS ...................................................................... 42 4.1 Introdução ........................................................................................... 42 4.2 Principais Tipos ................................................................................... 43 4.2.1 Circulação geral dos oceanos....................................................... 43 4.2.2 Correntes de Gradiente ................................................................ 43 4.2.3 Correntes de Deriva ...................................................................... 44 4.2.4 Circulação litorânea ...................................................................... 44 4.2.5 Correntes de Maré ........................................................................ 45 4.3 Medição e observação de correntes ................................................... 45 5 PROCESSOS LITORÂNEOS ................................................................... 46 5.1 Introdução ........................................................................................... 46 5.2 Perfil de praia ...................................................................................... 46 5.3 Origem e caminhamento dos aluviões ................................................ 47 5.4 Métodos para determinação da origem e do caminhamento dos aluviões marinhos ......................................................................................... 48 5.5 Transporte pelo vento ......................................................................... 48 5.6 Transporte pelas Ondas ...................................................................... 49 5.6.1 Ação das ondas normais à praia .................................................. 50 5.6.2 Ação das ondas oblíquas às praias .............................................. 52 5.7 Transporte pelas correntes ................................................................. 53 5.8 Formações típicas costeiras ................................................................ 54 6 CANAL DE ACESSO E BACIA DE EVOLUÇÃO OU MANOBRAS ........ 57 6.1 Dimensões do navio de projeto ........................................................... 57 6.2 Berço de Atracação ............................................................................. 57 6.3 Canal de Acesso ................................................................................. 58 6.3.1 Profundidade mínima .................................................................... 58 6.3.2 Largura mínima requerida ............................................................ 58 6.3.3 Raio de curvatura mínimo ............................................................. 62 6.4 Bacia de Evolução ou Manobras ......................................................... 63 6.4.1 Diâmetro ....................................................................................... 63 6.4.2 Profundidade ................................................................................ 63 6.5 Largura da entrada do Porto (medida no fundo) ................................. 63 7 PORTOS MARÍTIMOS – OBRAS DE MELHORAMENTO ....................... 64 7.1 Terminal Marítimo ............................................................................... 64 7.2 Tipos de Portos ................................................................................... 64 7.3 Tipos de Cargas .................................................................................. 65 7.3.1 Carga Geral .................................................................................. 65 7.3.2 Granel ........................................................................................... 65 7.4 Condicionantes de Projeto .................................................................. 66 7.4.1 Característica físicas da região de implantação ........................... 66 7.4.2 Características dos navios ............................................................ 66 7.4.3 Materiais de Construção ............................................................... 66 7.4.4 Características Portuárias ............................................................ 66 7.4.5 Aspectos Operacionais .................................................................67 7.4.6 Expansão ...................................................................................... 67 7.5 Obras de Melhoramento dos Portos.................................................... 67 7.5.1 Obras Externas ............................................................................. 67 7.5.2 Obras Internas .............................................................................. 67 7.5.3 Obras de Expansão ...................................................................... 67 7.6 Projeto de Bacia Portuária .................................................................. 68 7.6.1 Estudo de alternativas .................................................................. 68 7.6.2 Estudo em modelo reduzido ......................................................... 68 7.6.3 Projeto Básico e Executivo ........................................................... 68 7.6.4 Contratação de obra ..................................................................... 68 8 ESTUDO DE DIFRAÇÃO ......................................................................... 69 8.1 Introdução ........................................................................................... 69 8.2 Método de Iribarrem ............................................................................ 69 8.2.1 Exemplo de aplicação ................................................................... 72 8.3 Método de Wiegel ............................................................................... 73 8.3.1 Exemplo numérico ........................................................................ 80 9 QUEBRA-MARES .................................................................................... 83 9.1 Definição ............................................................................................. 83 9.2 Tipos de Quebra-mares ...................................................................... 83 9.2.1 Quebra-mar de talude ................................................................... 83 9.2.2 Quebra-mar de estrutura mista ..................................................... 83 9.2.3 Quebra-mar de parede vertical ..................................................... 83 9.2.4 Quebra-mar misto ......................................................................... 83 9.2.5 Quebra-mares não convencionais ................................................ 84 9.3 Dimensionamento de Quebra-mar de Talude ..................................... 85 9.3.1 Peso dos blocos do mato-resistente (armadura) .......................... 85 9.4 Critério de dimensionamento apresentado no “Shore Protection Manual – WES, Corps of Engineers” ......................................................................... 86 9.4.1 Peso dos blocos do manto protetor (armadura) ........................... 86 9.4.2 Largura da crista ........................................................................... 87 9.4.3 Espessura das camadas da armadura e subcamadas adjacentes87 9.4.4 Número de blocos requeridos ....................................................... 87 9.5 Seções Transversais de projeto de quebra-mar de talude (Corps of Engineers) .................................................................................................... 88 9.5.1 Galgamento de zero a moderado (exposto a onda do lado de mar) 88 9.6 Quebra-mar vertical............................................................................. 88 9.6.1 Definição ....................................................................................... 88 9.6.2 Clapotis ......................................................................................... 89 9.6.3 Esforços aos quais são submetidos os quebra-mares verticais ... 89 9.6.4 Dimensionamento ......................................................................... 89 9.6.5 Seção Típica segundo Larras para estabilidade da base ............. 91 10 OBRAS DE DEFESA DOS LITORAIS ..................................................... 92 10.1 Introdução ........................................................................................ 92 10.2 Fixação de dunas de areia ............................................................... 92 10.3 Defesa das falésias (penhascos) ..................................................... 93 10.4 Defesa das praias contra a erosão .................................................. 93 10.5 Engordamento das praias (recuperação das praias) ....................... 94 11 CONTORNO DE EMBOCADURAS E OBSTÁCULOS NA PRAIA POR PROCESSOS ARTIFICIAIS ............................................................................ 96 6 1 NOÇÕES DE OCEANOGRAFIA 1.1 Introdução Define-se oceano como um imenso corpo d’água salgada que ocupa das depressões da superfície terrestre (Garrison, 2010). Estima-se que 75% da superfície da Terra seja coberta de água e os oceanos representam mais de 97% do volume desta água. A disponibilidade de água na superfície da Terra é apresentada na Figura 1-1. Na Figura 1-2 são apresentadas as principais características dos oceanos. Figura 1-1: Disponibilidade hídrica na Terra Fonte: Garrison, 2010 7 Figura 1-2: Características principais dos oceanos Fonte: Garrison, 2010 1.2 Oceanografia Estuda os conjuntos dos fenômenos marinhos e divide-se em: • Hidrografia: Descreve a geometria dos limites do meio marinho (costas e fundos). No Brasil os levantamentos são feitos pelo CHM – Centro de Hidrografia da Marinha (antiga DHN – Diretoria de Hidrografia e Navegação) do Ministério da Defesa sediado em Niterói (RJ), que emite as cartas náuticas e as tábuas de marés dentre outros dados hidrográficos da costa; • Oceanografia física: Estuda as características mecânicas, físicas e físico-químicas dos elementos marinhos; a parte mais importante para a Engenharia é a Oceanografia Dinâmica que estuda os movimentos do mar: ondas, marés e correntes; • Oceanografia geológica: estuda a geologia dos fundos marinhos; é importante para os estudos prévios que antecedem as sondagens sísmicas e rotativas para elaboração do projeto das fundações e das operações de dragagem; 8 • Oceanografia biológica: Estuda os organismos marinhos. Na engenharia tem papel fundamental nos estudos de impacto ambiental. Além disso, existem organismos que podem atacar estruturas. 1.3 Importância da Oceanografia Os oceanos ocupam 70,8% da superfície do globo influindo decisivamente em grande parte dos fenômenos que ocorrem em toda a superfície do globo, tais como: meteorologia, conformação de costas, geologia, biologia, etc. Seu estudo é de grande importância para o futuro da humanidade tendo em vista o estabelecimento das formas de usar os recursos do mar sem destruir seu meio ambiente. Os recursos naturais oceânicos mais importantes são: alimentos, minerais, combustíveis, energia, meio de transporte e lazer. 1.4 Relevo Submarino Denomina-se litoral a faixa do continente diretamente influenciada pelos mares e costa a faixa modelada pela ação dos movimentos dos mares. O relevo submarino é mais acidentado que o relevo terrestre. A profundidade média dos oceanos é de 3.795m e sua profundidade máxima é de 11.000m na bacia do oceano Pacífico. Na Figura 1-3 é apresentado o relevo submarino típico do oceano Atlântico. Na Figura 1-4 é apresentado um detalhamento da plataforma continental. Figura 1-3: Relevo submarino típico do oceano Atlântico 9 Figura 1-4: Relevo da plataforma continental 1.5 A origem dos oceanos Os oceanos se formaram após milhões de anos da formação da Terra, quando o planeta passou por um processo de resfriamento, permitindo que parte da água liberada nas emissões vulcânicase que estavam acumuladas nas nuvens na forma de gás formasse gotículas. As chuvas quentes caiam e a água novamente se evaporava e formava as nuvens. Conforme a superfície terrestre se resfriava a água se acumulava em bacias e começava a dissolver os minerais das rochas. Os ciclos de evaporação e precipitação continuaram a ocorrer, porém parte da água se mantinha na superfície da Terra dando origem aos oceanos (GARRISON, 2009). As bacias oceânicas se formaram a partir do movimento das placas tectônicas que ao longo de milhões de anos de movimentaram umas contra as outras, ora de sobrepondo em formando cadeias de montanhas (margens continentais ativas) ora de separando e formando novos oceanos através do processo conhecido como rifteamento (margens continentais passivas). Na Figura 1-5 é apresentado o processo de rifteamento. 10 Figura 1-5: Processo de rifteamento e formação dos oceanos. Fonte: Teixeira, 2009. 1.6 Propriedades Físico-Químicas da Água do Mar 1.6.1 Massa Específica Relativa (densidade) Do ponto de vista da Oceanografia Dinâmica, que é parte que mais interessa à Engenharia, a densidade da água do mar é a característica mais importante, por influir diretamente nas correntes marítimas. A densidade depende basicamente da temperatura da água, da salinidade e da profundidade ou pressão. Há gráficos ou tabelas que fornecem diretamente a densidade da água do mar em função da temperatura, da densidade e da pressão, ou seja; � � ���, �, � Na superfície a salinidade varia entre 1,020 a 1,030. Para uma dada profundidade, quanto maior for a temperatura, menor será a densidade para uma determinada salinidade; e, quanto maior a salinidade, maior será a densidade para uma dada temperatura. A Figura 1-6 apresenta a variação da densidade com a temperatura e salinidade para uma profundidade abaixo de 200m, sendo a densidade 1,028 representada no gráfico por 28. As áreas representam dados para cada sistema oceânico na sua totalidade. As linhas ligando pontos de igual densidade são chamadas isopicnométricas (isopnical lines). 11 Figura 1-6: Relação entre temperatura e salinidadeabaixo de 200m, para os Oceanos Atlântico, Pacífico e Índico. Fonte: Turekian (1969) 1.6.2 Temperatura A temperatura da água do mar na superfície depende da temperatura ambiente e da radiação solar. Em profundidade a temperatura decresce até cerca de 500m e depois se mantém praticamente constante entre 4° a 5°C (temperatura correspondente a maior densidade da água do mar). A medição da temperatura em profundidade é feita com termômetros reversíveis que permitem precisão de 0,01°C. Utilizam-se também pares termoelétricos que tem menor precisão mas permitem o registro contínuo das temperaturas ao longo de uma vertical de medição. A Figura 1-7 apresenta a estrutura térmica vertical generalizada do oceano (Turekian, 1969). 12 Figura 1-7: Estrutura térmica vertical generalizada do oceano Fonte: Turekian (1969) 1.6.3 Salinidade É a característica básica da água do mar. Em geral decresce com a profundidade. A salinidade ou grau de salinidade do oceano é definida como o número de gramas de sais dissolvidos em 1.000g de água do mar. A variação total da salinidade em pleno oceano é de 33‰. Em mares fechados é superior, podendo chegar a 270‰ no Mar Morto. Embora a quantidade total de sais dissolvidos nos oceanos seja variável, as proporções relativas entre eles são constantes: 77,7% de NaCl, 10,8% de MgCl, 3,4% de MgSO4, etc. A medição da salinidade é feita normalmente por amostragem com garrafas oceanográficas (das quais a mais comum é a garrafa de Nansen) e depois por análise da água em laboratório. Pode ser medida também por salinógrafos elétricos que medem a resistividade da água que é proporcional à quantidade de sais dissolvidos. São menos precisos mas permitem registro contínuo em uma vertical de medição. 3 6 9 12 15 18 21 4000 3000 2000 1000 0 camada superficial camada de descontinuidade térmica gradual Águas Profundas Águas de fundo temperatura em °C pr o fu n di da de e m m e tro s 13 A Figura 1-8 apresenta a técnica de amostragem de água e temperatura marinhas em profundidade, usando a garrafa de Nansen. Figura 1-8: Técnica de amostragem de água e temperatura marinhas em profundidade utilizando a garrafa de Nansen. Fonte: Turekian (1969) 14 1.6.4 Pressão A medida direta de pressão é feita por meio de termômetros revestidos (com bulbo protegido) e não revestidos, ambos do tipo reversível. Pode ser medida também por meio de manômetros elétricos, menos sensíveis mas que permitem registro contínuo das pressões em um vertical. 1.6.5 Ventos O vento é definido como a circulação de massas de ar atmosférico mais ou menos paralela à superfície da Terra (Filho, 2008). As grandes massas de ar se movimentam devido às diferenças de pressão atmosférica que ocorrem devido às diferenças de temperatura nos diferentes pontos da superfície da Terra. As características principais dos vetos são: • Direção: definido de onde os ventos vêm em relação ao norte verdadeiro. Por exemplo: um vento de direção noroeste (NE) sopra de Nordeste para Sudoeste; • Frequência: definido como o número de vezes em que o vento sopra em cada direção em um determinado período de tempo; • Intensidade ou velocidade: a intensidade medida diretamente pela pressão que o vento exerce sobre uma superfície plana ou através de sua velocidade através de anemômetros (Figura 1-9). Figura 1-9: Anemômetros 15 Os ventos podem são classificados de acordo com uma escala chamada de Beaufort, de acordo com a intensidade média dos ventos, conforme apresentado na Figura 1-10. Figura 1-10: Escala Beaufort de ventos 1.6.5.1 Brisas marítimas As brisas marinhas ocorrem na região costeira por causa da diferença de temperatura entre a água dos oceanos e a superfície da Terra. Durante o dia a superfície da Terra se aquece mais rapidamente que a superfície do oceano, criando uma zona de baixa pressão sobre a Terra e induzindo o ar mais frio do oceano se movimentar em direção a Terra. As brisas terrestres ocorrem à noite, quando a superfície do mar se encontra mais quente que a superfície da Terra provocando tendência de migração dos ventos em direção ao mar. Na Figura 1-11 estão apresentadas as variações dos ventos típicos de regiões costeiras. 16 Figura 1-11: Variação típica dos ventos em regiões costeiras 17 2 ONDAS 2.1 Introdução A superfície livre do mar ou de grandes corpos d’água, como lagos ou reservatórios, apresenta-se normalmente ondulada devido a perturbações no plano d’água em repouso originadas de diversas causas sendo o vento um das mais importantes. As ondas de superfície devidas ao vento recebem sua energia dos ventos que sopram sobre a superfície líquida e propagam-se principalmente no rumo que estes sopram. Transferem sua energia para alguma estrutura u linha de costa (ou margem) onde dissipam ou refletem uma parcela desta energia. Constituem o principal agente modelador da costa pelo transporte de sedimentos que acarretam, bem como produzem muitas forças às quais as estruturas marítimas ou lacustres estão submetidas. 2.2 Movimentos do mar O mar apresenta dois tipos de movimentos: • Semi-permanentes: correntes marítimas • Ondulatórios: ondas e marés astronômicas Os movimentos ondulatórios podem ser: • Periódicos: ondas de oscilação – ondas de gravidade devidas ao vento • Não periódicos: ondas de translação – marés astronômicas Por sua vez, as ondas de oscilação (movimentosperiódicos) podem ser: • Ondas progressivas: reproduzem-se no tempo e no espaço – ondas de gravidade devidas ao vento; • Ondas estacionárias: reproduzem-se no tempo – seiches. Na Figura 2-1 é apresentado um fluxograma dos movimentos típicos do mar. 18 Figura 2-1: Movimentação do mar Em função do período, comprimento e frequência da onda, há uma quantidade de energia associada. Além disso, em cada caso, é possível verificar características distintas, de forma que as ondas são classificadas em capilares, geradas pelo vento, seiches, sísmicas e marés, conforme apresentado na Figura 2-2 e no Quadro 2-1. Figura 2-2: Tipos de ondas de superfície. Fonte : adaptado Garrison, 2010 Movimentos do Mar Semi – Permanentes (Correntes marítimas) Ondulatórios (Ondas e marés astronômicas) Periódicos: Ondas de oscilação - devido ao vento Ondas progressivas: reproduzem-se no tempo e espaço (Ondas de gravidade) Ondas estacionárias: reproduzem-se no tempo (Seiches) Não periódicos: Ondas de translação – marés astronômicas gravidade abalo sísmico ventoForça Perturbadora Força Restauradora Tipo de onda maré tsunami gravidade deslizamento de terra seiche ondas geradas pelo vento tensão superficial onda capilar (ondulações pequenas) Q u an tid ad e de e n e rg ia n a su pe rfí ci e do oc e an o 24h 12h 100.000 s (1 14 dias) 10.000 s (3h) 1.000 s (17 min) 100 s 10 s 1 s 110 s 1100 s Período (tempo, em segundos, para que duas cristas de ondas sucessivas passem por um ponto fixo Frequência (ondas por segundo) 19 Quadro 2-1: Movimentos Ondulatórios As ondas de gravidade, geradas pelo vento e normalmente chamadas apenas de “ondas do mar” são as mais importantes, com períodos variando de 1 a 20s e alturas que podem atingir mais de 10m. Na Figura 2-3 são apresentados esquemas representativos de alguns tipos de ondas. Figura 2-3: Esquemas de alguns tipos de ondas. Tipo de onda Período Causa Observações Ondas capilares T<0,1 s Vento local Pequenas ondulações conhecidas como vagas Ondas de gravidade 1 s < T < 20 s vento Crescem a partir das ondas capilares seiches Poucos minutos Diversas origens ocorrem em geral em bacias naturais ou portuárias, que resultam da amplificação e ressonância de ondas incidentes Tsunamis 15 min. < T < 60 min. Sísmica ondas progressivas de água rasa, causadas pelo rápido deslocamento da água do mar em função de algum movimento vertical repentino da Terra, por deslizamentos, icebergs soltando-se das geleiras, erupções vulcânicas e outros deslocamentos diretos da superfície da água Marés astronômicas 12 a 24h astronômica a atração gravitacional da Lua e do Sol sobre as massas líquidas nível de repouso ondas de oscilação - progressivas (ondas de vento) nó bacia ondas de oscilação - estacionárias (seiches) ondas de translação (tsunamis)(onda solitária) 20 2.3 Geração e Propagação das ondas de gravidade As ondas de gravidade devidas ao vento são formadas pela ação intermitente do vento sobre a massa de água. Há uma transferência de energia do ar em movimento para a água. Formam-se e propagam-se ao longo das seguintes zonas: • Zona de formação das ondas: na região da ação direta do vento, temos uma oscilação muito irregular de superfície do mar, sem uma definição precisa das características das ondas e sem um direção de propagação definida; • Zona de expansão: ainda sob a ação do vento as ondas começam a se propagar com aspecto desordenado, porém tendendo para a direção de propagação do vento. As ondas se apresentam muito irregulares e tendem ainda a ganhar energia; • Zona de propagação: as ondas saindo da região de ação do vento começam a se propagar livremente sob o efeito exclusivo da gravidade. É nesta zona que elas passam a definir suas características devido à “purificação” (filtragem). Ondas de características semelhantes passam a se propagar juntas. Tem-se a filtragem da direção e do período (comprimento e celeridade) e amortecimento (perda de energia na propagação); • Zona de deformação das ondas: Ocorre junto à costa em profundidades reduzidas, onde há influência nas características das ondas, deformando-as até ocorrer a arrebentação na praia onde dissipam toda a sua energia ou se refletem parcialmente nos trechos onde há costões. Seu estudo é de grande importância porque nela se localizam as obras marítimas. As zonas de geração e propagação podem ocorrer em alto mar ou nas proximidades da costa, em regiões de grande profundidade e, portanto, sem influência do fundo. Na zona de geração as ondas são chamadas de vagas (sea) e junto à costa, purificadas, são chamadas de ondulações (Swell). Junto à costa podem ocorrer vagas (ondas locais) quando geradas aí. 21 2.4 Definição Matemática da onda de oscilação Existem várias teorias para definir matematicamente o movimento de onda de oscilação, válidas dentro de certas hipóteses, mas que não podem ser generalizadas. A teoria de Airy, para ondas de pequena altura (ondas sinusoidais) propagando-se em águas de profundidade limitada é uma das mais utilizadas. Por outro lado, muitas ondas geradas pelo vento não tem simplesmente a forma senoidal. Quanto maior sua declividade (h/L) mais a onda se afasta de uma senóide e se aproxima da forma trocoidal de tratamento complexo. Entretanto o modelo senoidal é suficientemente preciso para representar o movimento das ondas oceânicas. Os principais parâmetros da onda são (Figura 2-4): • Altura (H): diferença entre a crista e o cavado da onda. • Amplitude (a): metade da altura de onda (a=H/2). • Período (T): tempo que leva para que parte da onda se repita em relação a um ponto fixo de sua trajetória. • Direção ou rumo: direção, em relação ao norte verdadeiro, de onde provêm as ondas. • Comprimento (L): distância entre duas cristas consecutivas. • Esbeltez (δ): relação entre a altura e o comprimento (H/L). Expressa a forma da onda. • Velocidade de propagação da onda ou celeridade (c): relação entre o comprimento e o período da onda (L/T). • Velocidade orbital tangencial (v) • u e w: componentes horizontal e vertical da velocidade orbital tangencial 22 Figura 2-4: Parâmetros de onda Pela passagem da onda, as partículas que estavam em repouso passam a descrever órbitas circulares ou elípticas, fechadas ou ligeiramente abertas. Este movimento é transmitido de partícula para partícula, e através desta movimentação a onda se propaga. As partículas superficiais descrevem trajetórias com a dimensão aproximada da altura h e do período T da onda. A velocidade de propagação de propagação da onda – celeridade – é dada por: � �� 2� ��ℎ �2�ℎ � �� � � � � �������� A celeridade (c) ou o comprimento (L) variam com a profundidade (h) e com a passagem de águas profundas (ℎ ≥ /2) para águas rasas (ℎ < /2), a expressão assume os seguintes aspectos: a) Para ℎ ≥ /2 (águas profundas) a componente ��ℎ �� !" # ≈ 1 e portanto tem-se: � �� &2� & � �� � 2� & � &� � � �������� crista cavado comprimento (L) altura (H) amplitude (a) nível médio d'água profundidade (h) fundo oceânico u vw 23 Sendo as órbitas das partículas circulares e o índice zero (0) representando os parâmetros em águas profundas. b) Para /20 ≤ ℎ < /2 (águas intermediárias), � )*"� ��ℎ �� !" # obtendo-se: � &��ℎ �2�ℎ � � &��ℎ �2�ℎ � ��� � , � &� � � �������� As ondas e as partículas passam a ter órbitas elípticas com eixo maior horizontal; em profundidades os dois eixos diminuem geometricamente e no fundo o eixo vertical se anula sendo o movimento retilíneo e oscilatório transmitindo-se para os sedimentos do fundo que passam a se movimentar. c) Para ℎ < /20 (águas rasa) a ��ℎ �� !" # ≅ � !" e � ,�ℎ a celeridade é independente de L ou T e a onda passa a ser de translação com transporte de massa. Seguem abaixo algumas observações importantes em relação à teoria de Airy: a) Em águas profundas, a velocidade do trem de ondas (velocidade de grupo) é -. � &/2, observando-se que as ondas componentes desaparecem na frente do grupo e reaparecem atrás; b) Em águas rasas (h<L/2) tem-se - � c) A energia total em um comprimento de onda por unidade de comprimento de crista é: / � /0 + /2 � 3ℎ� 16 + 3ℎ � 16 � 3ℎ � 8 Na Figura 2-5 é apresentado um esquema do movimento orbital das ondas em águas profundas, intermediárias e rasas. 24 Figura 2-5: Movimento orbital das ondas de oscilação em águas profundas, intermediárias e rasas. Segue abaixo um exemplo do cálculo do comprimento de onda para vários períodos diferentes, considerando que as ondas se encontram em águas profundas. � � 10� → & � ���2� � 1,56.10� � 156,00� � � 12� → & � ���2� � 1,56.12� � 224,64� � � 14� → & � ���2� � 1,56.140� � 305,76� 2.5 Ondas Reais As ondas reais diferem das obtidas teoricamente devido à sua variação no tempo. Devido à seleção após a geração (filtração) temos trem de ondas formados por ondas com direção, períodos e celeridades aproximadamente iguais e com alturas pouco diferentes. Possuem um comportamento aleatório de suas características – altura, período e direção – que permite a definição estatística de um clima de ondas para uma região da costa. Na Figura 2-6 é apresentado um trem de ondas reais a partir de duas frentes de ondas com períodos pouco diferentes formando um grupo de ondas. � ,�. ℎ 25 Figura 2-6: Grupo de ondas formado a partir de duas frentes de ondas A previsão das ondas que vão atingir um determinado trecho de costa pode ser feita pela determinação dos valores extremos que podem ocorrer com um certo período de retorno (TR) a partir de observações prolongadas, de alguns meses, um ano (mínimo desejável), ou vários anos. As previsões podem ser feitas a partir de: • Observações de ondas locais na região onde ser pretende implantar a obra ou observações existentes de regiões próximas; • Observações de ondas ao largo, feitas por navios e reunidas em forma de cartas ou tabelas em publicações como: o Ocean Waves Statistics do Almirantado Inglês; o Sea and Swell Charts da Marinha dos USA; Na inexistência ou impossibilidade dessas observações diretas, existem métodos de previsão a partir das características do vento (velocidade, direção a ltu ra de o n da (H ) tempo Onda Matemática - Monocromática a ltu ra de o n da (H ) tempo Onda Real dois trens de ondas de coprimentos de ondas pouco diferentes mas de mesmas amplitudes formam grupos de ondas a ltu ra de o n da (H ) tempo Onda Real - somatório de dois trem de ondas grupo de ondas 26 e frequência). Esses métodos são utilizados na previsão de ondas em lagos e reservatórios de barragens. Através de previsões define-se: <=/>�? <@ : altura de onda significativa de um trem de ondas que é a média do terço maior do trem de ondas <=/=& �? <=& média do décimo maior do trem (<=& � 1,27<@) <=/=&& �? <= média do centésimo maior do trem (<= � 1,67<@) Definidos esses valores para cada observação, através de tratamento estatístico calculam-se valores de Hs, H10 e H1 relacionados a períodos de retorno (TR) igual a 10anos, 25 anos, 50 anos, etc. A esses valores da altura calculam-se valores do período Tz (período médio) e Ts (período significativo). Dentre as metodologias para análises estatísticas a partir de registros de ondas reais será apresentado o método do zero ascendente. Neste método primeiro é feita a dedução do nível médio a partir do próprio registro. Em seguida procura- se o primeiro ponto do registro em que o nível d’água cruza a linha do nível médio subindo. Neste ponto inicia-se uma onda. Quando o nível d’água cruzar novamente a linha do nível médio subindo define-se o fim desta onda e o início da onda seguinte. Para cada onda define-se a altura de onda (H) como a distância entre o ponto mais alto e o ponto mais baixo do nível d’água. O período de onda (T) é definido com o tempo entre o início e o fim da frente de ondas. Na Figura 2-7 é apresentada a identificação das ondas no método do zero ascendente. Figura 2-7: Identificação das ondas no método do zero ascendente. 27 2.6 Observação de ondas Medem-se altura, período, direção distância de propagação e profundidade no ponto de medição. Com estes dados calculam-se os outros parâmetros como comprimento, velocidade, frequência, etc. As medições podem ser visuais ou através de instrumentos. As medições visuais são feitas a partir de navios ou de pontos situados em terra. As medições através de instrumentos podem ser por: • Métodos indiretos quando se mede um parâmetro relacionado com a oscilação do nível d’água, como: o Por variação de aceleração: ondógrafos do tipo boia acelerômetro; o Por variação de pressão subsuperficial: ondógrafos do tipo células de pressão (não recomendado). • Métodos diretos quando se mede diretamente a oscilação do nível d’água, como: o Dispositivos ópticos: topográficos ou estereográficos; o Dispositivos sônicos: ondógrafos de ultrassom; o Dispositivos eletrônicos: ondógrafo resistivo ou capacitivo; o Dispositivos mecânicos: flutuadores; o Com sensores remotos a partir de satélites artificiais. 28 2.7 Deformação das ondas nas proximidades da costa O conhecimento das deformações das ondas junto à costa é de grande importância para a Engenharia Costeira, pois é nessa região que se localiza a maioria das obras. Os principais fatores que podem provocar a deformação das ondas são: • Variações de profundidade; • Obstáculos; • Correntes marítimas permanentes. Cada um destes fatores provoca a mudança de um ou mais parâmetros das ondas, modificando assim as características iniciais. As principais deformações decorrentes destes fatores são apresentadas a seguir. 2.7.1 Refração Mudança da celeridade, do comprimento de onda e da direção de propagação por variação da profundidade (principalmente) ou por correntes marítimas permanentes. É estudada pela Lei de Snell. 29 Lei de Snell: @AB CD@AB CE � FDFE � )GDGE 2.7.2 Difração Propagação da onda ao redor e por trás de obstáculos como ilhas, quebra mar, etc. 30 2.7.3 Reflexão Propagação em sentido inverso quando a onda incide num obstáculo emerso ou submerso como um costão rochoso, um muro vertical (quebra mar vertical), etc. 31 2.7.4 Arrebentação Instabilidade da onda ao atingir uma forma limite em decorrência da diminuição da profundidade com liberação de energia e produção de uma onda de translação. Em função da esbeltez (H/L) da onda e da declividade do fundo na arrebentação, podemos ter vários tipos de arrebentação: MERGULHANTE DESLIZANTE ASCENDENTE 32 3 MARÉS 3.1 Introdução As marés são variações (subida e descida) periódicas do nível do mar que se repetem com períodoslongos. Esses movimentos são observados em quase todos os pontos dos oceanos e em bacias comunicantes. São provocados pela ação de atracação dos astros, principalmente Lua e Sol que agem sobre a massa líquida dos mares e é influenciada pela geometria dos fundos marinhos e continentes. O conhecimento do fenômeno das marés é importante para o estudo dos portos – fixação das cotas das obras de atracação, das obras de proteção (quebra mares) e fundos das bacias de manobras e canais de acesso – e do regime dos litorais. As marés põem em movimento grandes massas de água dando origem às correntes de marés, que provocam a mudança da composição e a renovação da águas dos estuários e regiões lagunares e podem provocar a movimentação de grandes massas de sedimentos. Atingem velocidades que podem assegurar nos estuários as profundidades necessárias à navegação. A atividade de muitos portos – entrada, atracação, operações de transbordo e saída – podem depender das variações de níveis devidas às marés locais. 3.2 Forças que produzem as marés O comportamento das marés foi objeto de estudos de muitos sábios e matemáticos tais como Newton, Laplace, Airy, Kelvin, etc. Apesar da complexidade do problema as considerações que se seguem e que remontam a Newton, podem dar-nos uma ideia dos aspectos mais essenciais do problema. Imagine a Terra e a Lua em posição qualquer em suas órbitas sob ação das forças de gravitação e centrífuga. A Terra e a Lua exercem mutuamente ações gravitacionais dadas pela lei geral da gravitação universal, H � -IJIKLE , na qual G é a constante universal de gravitação, MT e ML as massas da Terra e da Lua e R a distância entre eles. 33 Sendo r o raio da Terra e R a distância entre os centros da Terra e da Lua, a ação gravitacional da Lua sobre um elemento dm da superfície terrestre nos pontos A e B serão respectivamente H*�M � -IKNO�LPQ E e H*�R � -IKNO�LSQ E . Por outro lado, a força centrífuga sobre o elemento de massa DM da Terra é dada em média por HF � − -IKNOLE que equilibra a força de atração da Lua sobre dm. Somando Fg(A) e Fc e Fg(B) e Fc e considerando que R>>r obtemos HOU � -IKNO�QLV e HOW � − -IKNO�QLV que são as forças causadoras das marés nos pontos A e B (Figura 3-1). Figura 3-1: Forças formadoras da maré Considerando que a Terra possui um movimento de rotação, as forças esquematizadas na figura provocarão uma onda de maré que se propaga pelos oceanos sendo sustada na orla dos continentes. 3.3 Altura e Período de maré Registrando-se de forma contínua a variação lenta do nível do mar, obtém-se uma curva sensivelmente senoidal que se repete no tempo com períodos a alturas bem definidos. Na Figura 3-2 são apresentados os parâmetros característicos das variações de maré. 34 Figura 3-2: Parâmetros característicos das marés Como já visto anteriormente as marés resultam principalmente de variações nas atrações exercidas pela Lua – maior efeito, pois está mais próxima da Terra – e pelo Sol sobre as águas dos oceanos. A altura das marés será tanto maior quanto maior for a resultante da ação desses astros. Quando estes dois astros encontram-se alinhados (em conjunção), diz- se que a maré é de sizígia e isto ocorre em Lua Cheia e Lua Nova. Nesse período são observadas as maiores alturas da maré. Quando os astros não estão alinhados (em oposição), diz-se que estão em quadratura e a soma de suas ações resulta nas menores marés. Isto ocorre nos Quartos Minguante e Crescente. Por ocasião dos equinócios, o Sol e a Lua encontram-se no melhor alinhamento, ocorrendo então as máximas marés chamadas de sizígias equinociais (a cada 6 meses). Na Figura 3-3 é apresentada a variação do nível d’água em função do ciclo lunar. Na Figura 3-4 são apresentados as componentes de força de atração gravitacional da Lua e do Sol sobre a Terra nas diferentes fases da Lua. 35 Figura 3-3: Variação do nível d’água durante o ciclo lunar Figura 3-4: Componentes de força de atração gravitacional da Lua e do Sol sobre a Terra nas diferentes fases da Lua Os níveis de referência mais importantes da maré são (Miguens,1993): • Nível máximo: máximo histórico atingido; • Nível mínimo: mínimo histórico atingido; • Nível médio (MTL ou “MEAN TIDE LEVEL”): média dos níveis observados; • Nível de redução (NR): média das maiores baixa-mares de sizígia – referência das profundidades das Cartas Náuticas; • MHWS (“MEAN HIGH WATER SPRINGS”): média das preamares de sizígia; Lua cheiaLua quarto crescente Lua quarto minguante Lua nova nível máximo Lua quarto crescente nível médio (NM) nível de redução (NR) nível mínimo quadratura quadratura quadratura sizígia sizígia 27,3 dias (lunação) ~7 dias ~7 dias ~7 dias ~7 dias 36 • MHWN (“MEAN HIGH WATER NEAPS”) – média das preamares de quadratura; • MHW (“MEAN HIGH WATER”) – Média das preamares; • MLWN (“MEAN LOW WATER NEAPS”) – média das baixa–mares de quadratura; • MLW (“MEAN LOW WATER”) – média das baixa–mares; • MLWS (“MEAN LOW WATER SPRINGS”) – média das BM de sizígia. É o nível adotado pela DHN como Nível de Redução (NR) nas Cartas Náuticas brasileiras. Na Figura 3-5 são apresentados estes níveis de referência. Figura 3-5: Planos de referência de nível do mar em função das marés Sendo a geração de marés função direta da ação dos astros – principalmente Lua e Sol – sua periodicidade será função dos movimentos relativos entre a Terra, a Lua e o Sol. Com a Lua gira em torno do centro de massa Terra-Lua a cada 27,3 dias (lunação) no mesmo sentido em que a Terra gira em torno do seu eixo uma vez a cada 24 horas, o período de rotação da Terra em relação à Lua é 24h50min altura MHWS MHW MHWN MN (MSL) nível do mar em um determinado instante altitude MLWN MLW MLWS altura de maré normalmente adotado como NR sondagem profundidade real PLANOS DE REFERÊNCIA DE MARÉ 37 (dia lunar). Esta é a razão porque as preamares ou baixa-mares em muitos locais são quase uma hora mais tarde a cada dia sucessivo. Quanto ao tipo, as marés em função do seu período podem ser: • Maré diurna: com período de 24h50min28s • Maré semi-diurna: com período de 12h25min14s • Maré semi-diurna com desigualdades diurnas: com período de 12h25min14s • Maré mista: que podem ocorrer com os dois períodos Na Figura 3-6 estão exemplificados estes tipos de marés. Figura 3-6: Tipos de marés durante março de 1936 em Imminghan (Inglaterra), São Francisco (Califórnia), Manila (Fillipinas) e Do San (Vietnã) Fonte: Turekian (1969) Outras características ou propriedades das marés são: • Estabelecimento do porto: tempo de passagem da Lua eplo meridiano local e o instante da preamar; 38 • Idade da maré: tempo entre a passagem da Lua Nova pelo meridiano local e a ocorrência da preamar máxima; • Linhas cotidais: lugar geométrico dos pontos em que a preamar se dá no mesmo instante; • Pontos anfidrômicos: locais em que a amplitude das marés é nula e as cotidais giram em torno (sentido anti-horário no hemisfério Sul). 3.4 Observação de marés A observação das marés é feita através de: • Marémetros ou réguas de maré: em que um observador faz leituras em uma régua periodicamente (a cada 5, 10 ou 15 min) – a observação é descontínua; • Marégrafos (Figura 3-7): aparelhos que registram a maré continuamente – os mais comuns são de flutuador. Na Figura 3-8 é apresentado um marégrafo localizado na foz do rio Amazonas nos instantes de preamar e baixa-mar. Figura 3-7: Estação Maregráfica da Ponta da Armação (DHN) 39 Figura 3-8: Marégrafo na foz do rio Amazonas na preamar e nabaixa-mar respectivamente (DHN) 3.5 Previsão de marés A partir de uma observação de maré em um período de tempo (30 dias, 1 ano, vários anos) é feita uma análise harmônica das observações, calculando-se as componentes harmônicas para o local da observação. A partir dessas componentes é feita a previsão da maré local. Isto é possível dado o caráter determinístico do fenômeno das marés. No Brasil, a previsão de marés para todos os portos importantes da costa, incluindo todos os portos, é feita pela Marinha do Brasil através do Centro de Hidrografia da Marinha e editada anualmente através das Tábuas de Marés. Na Figura 3-9 é apresentado um exemplo de uma tábua de maré para o Fundeadouro de Salinópolis (estado do Pará) dos meses de janeiro a abril de 1993, extraído do site da DHN. 40 Figura 3-9: Tábua de maré para o Fundeadouro de Salinópolis (estado do Pará) dos meses de janeiro a abril de 1993 41 3.6 Maré Meteorológica Fenômeno aleatório que consiste na variação acidental do nível do mar, não desprezível, devido principalmente a fenômenos meteorológicos (ventos, pressão, etc) que se superpõem à maré astronômica provocando uma sobre- elevação do nível médio do mar. Na análise das marés astronômicas é possível separar o efeito astronômico do meteorológico e determinar a maré meteorológica local. Na costa um dos efeitos da sobre-elevação do nível médio devido às marés meteorológicas é a ocorrência de ressacas com a arrebentação de ondas acima das cotas normais. 42 4 CORRENTES MARÍTIMAS 4.1 Introdução Correntes marítimas são movimentos de translação da água do mar com preponderância das componentes horizontais da velocidade e caráter semi permanente, ou seja, as velocidades variam pouco com o tempo. As forças que atuam nestas componentes são: • Forças externas o Devidas à atuação dos ventos na superfície livre; o Devidas às atrações astronômicas atuando em toda a massa líquida. • Forças internas o Devidas à ação da gravidade; o Devidas à variação de densidade na massa líquida. • Forças induzidas o Devidas à rotação da Terra (aceleração de Coriolis); o Devidas ao atrito interno (viscosidade); o Devidas ao atrito no fundo (só significativas em pequenas profundidades) e ao atrito na superfície (desprezível). A ação de todas as forças se faz sentir concomitantemente tornando bastante complexo o estudo generalizado das correntes. Para simplificar o estudo considera-se apenas a ação conjunta de algumas forças de acordo com a predominância dos fenômenos que se verifica na natureza. As correntes marítimas são muito importantes porque exercem influência no clima, nos recursos da pesca, na morfologia costeira, na poluição, na navegação, etc. As correntes ao largo (afastadas da costa) têm pequenas velocidades e sob este aspecto se dá maior ênfase às correntes junto à costa e em áreas confinadas como estuários, lagunas, baías, etc. 43 4.2 Principais Tipos 4.2.1 Circulação geral dos oceanos As grandes correntes oceânicas tem origem básica nas diferenças de temperatura devidas à variação da insolação na superfície do globo. Estas diferenças de temperatura geram ventos regulares e gradientes de pressão devidos às diferenças de densidade da água. O movimento assim gerado é bastante estável, mas sofre mudanças periódicas com as estações do ano e acidentais como consequência de variações climáticas (El Niño, La Niña,etc). Na costa brasileira temos a Corrente do Brasil, do Equador para o Polo Sul sendo, portanto, uma corrente de água quente e com velocidade de menos de 1 nó (uma milha náutica por hora ou cerca de 0,5m/s). Na Figura 4-1 são apresentadas as grandes correntes oceânicas. Figura 4-1: Correntes Oceânicas 4.2.2 Correntes de Gradiente São assim denominadas as correntes que surgem sob efeito das forças internas, ou seja, dos gradientes de pressão originados pelas diferenças de densidade da água do mar. 44 4.2.3 Correntes de Deriva O vento soprando na superfície da água arrasta as partículas líquidas superficiais. O movimento é transmitido às camadas inferiores pelo atrito da água. O estudo matemático destas correntes foi feito por Ekman a partir das observações que mostravam que os “icebergs” não caminhavam na direção do vento mas segundo uma direção inclinada em relação à direção do mesmo (na superfície à 45° em relação ao vento), daí o nome de correntes de deriva. 4.2.4 Circulação litorânea Sãos as correntes de submergência ou de ressurgência criadas devido a inclinação da linha d’água subindo do mar para a costa ou da costa para o mar provocadas pela ação do vento, da pressão atmosférica ou de outra correntes (Figura 4-2). Explica-se assim o fenômeno das ressurgências em que a água mais profunda, fria e rica em nutrientes, é levada para a superfície, fenômeno importante para a riqueza da pesca (costa peruana). Em Cabo Frio (RJ) há uma ressurgência deste tipo derivando daí o nome da região. Figura 4-2: Formação das correntes de submergência e ressurgência 45 4.2.5 Correntes de Maré São correntes originadas pelas variações do nível d’água devidas às marés. A característica básica das correntes de maré é periodicidade igual a maré propriamente dita. Elas atingem toda a espessura da camada líquida ao contrário das demais correntes e, junto à costa e reentrâncias como estuários, lagunas e baías, são em geral mais fortes que os outros tipos de correntes. 4.3 Medição e observação de correntes São feitas basicamente por: • Correntômetros ou correntógrafos: para medir a intensidade e direção da corrente em um ponto fixo de uma vertical em qualquer profundidade; • Flutuadores ou derivadores: para observar trajetórias de correntes superficiais ou em profundidade até um máximo de 5 metros (campo de correntes); • Métodos avançados: são métodos que podem utilizar imagens formadas com a reflexão de som graças à presença das partículas sólidas na água. O reflexo do som no fundo permite levantar a posição deste, delimitando assim à seção transversal do canal. O reflexo integrado nas partículas permite integrar a massa sólida transportada com a água. Este método foi tornado comercial na forma conhecida como ADCP: Acoustic Doppler Current Profiler (ou ADP), um sonar adaptado para tal função, com emissor e receptor de som. 46 5 PROCESSOS LITORÂNEOS 5.1 Introdução As águas do mar permanentemente em movimento e os ventos intensos que sopra, sobre as extensões livres dos oceanos, estão continuamente modificando a conformação dos litorais. Estas modificações processam-se: • A longo prazo: nas idades geológicas, nas formações rochosas mais resistentes, e, • A curto prazo: por vezes a curtíssimo prazo, nas formações menos resistentes constituídas pelos aluviões marinhos (vasas, areias, cascalhos, etc.) e do ponto de vista da engenharia são estas modificações rápidas que tem maior interesse. 5.2 Perfil de praia Existem várias definições sobre praia e seus limites. É importante, contudo, entender que a praia não é apenas aquela faixa de areia junto ao mar que comumente é usada pelos banhistas. Existem vários elementos que compõe o perfil praial e que são fundamentais para o equilíbrio do ambiente costeiro. Na Figura 5-1 é apresentado um esquema com os principais componentes do perfil praial. Figura 5-1: Perfil praial típico Fonte: Usace, 2008 (modificado) zona de arrebentação zona de espraiamento zona de surfepós-praia praia berma berma duna nível médio de preamar nível médio de baixamar barra longitudinal face da costa (nearshore) zona ao largo (offshore) (ou rochedo, vegetaçãopermanente) costa 47 Comumente chama-se de costa ou litoral toda a faixa de interface entre a terra e o mar, apesar de que a maior parte dos textos de referência no assunto considera a costa a região que nunca é inundada do perfil praia e onde se encontram as dunas, os rochedos ou a vegetação litorânea permanente. Já a praia corresponde à parte emersa de terra que, em função da variação de marés, dos eventos de tempestade e ação de ondas, pode ou não estar inundada. A região de espraiamento ou estirâncio corresponde à região da face de praia que está sujeita à variação das marés. 5.3 Origem e caminhamento dos aluviões Os aluviões encontrados nos litorais podem ter as seguintes origens primárias: • Origem marinha o Abrasão de rochas locais por ação das ondas; o Depósitos calcáreos formados por restos de animais marinhos; o Materiais trazidos das grandes profundidades submarinas (materiais abissais). • Origem fluvial o Materiais lançados no mar diretamente pelos rios; o Depósitos fluviais antigos (lançados no mar em eras passadas). • Origem eólica o Materiais levados aos litorais pelos ventos Os aluviões de origem fluvial são em geral os mais comuns, incluindo em particular toda a areia encontrada nas praias já que os movimentos do mar só produzem pedregulhos e vasas. O caminhamento dos aluviões marinhos são devidos à ação das ondas, das correntes e dos ventos, sendo sobretudo a ação das ondas a causa mais importante nas praias de areia. Podem provocar sérios problemas como assoreamento dos acessos aos portos, erosão das praias, formações e movimentações de restingas, etc. 48 5.4 Métodos para determinação da origem e do caminhamento dos aluviões marinhos A simultaneidade dos diversos agentes em ação, bem com a irregularidade dos mesmos, torna em geral, difícil determinar de onde provém e como caminham os aluviões encontrados em um determinado instante em um trecho do litoral. Conclusões apressadas, obtidas a partir de observações parciais dos fenômenos em jogo ou em prazos curtos quase sempre afastam-se da realidade. Os meios empregados nestas determinações são os seguintes: • Métodos hidrográficos: baseados em levantamentos hidrográficos como observações de ondas, marés, correntes, ventos, sondagens batimétricas, amostragem de materiais de fundo, em suspensão, salinidade, etc. • Método dos traçadores naturais: através da análise química, petrográfica ou biológica dos sedimentos, que podem indicar sua região de origem e consequentemente seu caminhamento. • Método dos traçadores artificiais: através dos quais mistura-se aos sedimentos naturais um material estranho, de características semelhantes e de fácil identificação e acompanha-se sua movimentação – traçadores colorimétricos, luminescentes ou radioativos. Normalmente estes diversos métodos são utilizados em conjunto, sendo os métodos hidrográficos sempre fundamentais. 5.5 Transporte pelo vento O vento age de duas formas: • Indiretamente: dando origem às ondas e a certos tipos de correntes – correntes de deriva e de circulação litorânea. • Diretamente: por abrasão das rochas (desgaste por fricção) e por deflação (transporte das partículas por correntes aéreas). A principal ação dos ventos nos litorais é a formação e deslocamento das dunas de areia. As dunas são formadas pela retirada de areia do 49 estirâncio, permanentemente alimentado pelas ondas (Figura 5-1). Na maré baixa, as areias secas pelo Sol são levadas para a faixa da beira-mar pelos ventos que sopram do mar para o continente. Acumulam-se com perfil característico (Figura 5-2), ou seja, talude mais suave a barlavento (formando ângulo da ordem de 7° com a horizontal) e abrupto a sotavento (ângulo de 20° a 35°). As partículas são arrastadas a barlavento subindo o talude e caindo a sotavento por ação da gravidade, ficando retidas pelas partículas superiores até serem de novo descobertas a barlavento. Desta forma as dunas caminham com velocidades variáveis em função da velocidade do vento e da granulometria das partículas, formando-se regularmente novas dunas na faixa da beira-mar com as areias trazidas do estirâncio. Figura 5-2: Perfil característico das dunas As dunas podem causar sérios problemas como interrupção de estradas de área urbanas e agrícolas, destruição de construções, assoreamento de portos, etc. 5.6 Transporte pelas Ondas As ondas põem em movimento e transportam os aluviões costeiros, provocando modificações no perfil das praias e seleção granulométrica das partículas sólidas. Os aspectos mais importantes dessas modificações são: • A inclinação dos trechos característicos do perfil da praia depende das características das ondas e da granulometria dos sedimentos e de eventuais correntes marinhas; • De um modo geral a inclinação do perfil é mais suave quanto mais forte as ondas e mais fino o material da praia, correspondendo maiores inclinações a maiores diâmetros; 7 ° 25 ° a 30 ° ventos barlavento sotavento 50 • A inclinação dos perfis de praia é quase sempre de 1 a 2% para áreas de praia mais comuns; excepcionalmente podem variar de 0,2 a 1,5%; • Nos períodos de forte agitação a parte superior da praia é erodida e o material depositado na parte inferior reduzindo a declividade. Assim o perfil dos estirâncio “báscula” em seu trecho médio, segundo os períodos de fortes e fracas ondulações, sem que haja, porém, uma exata conservação de volumes; • Na região da arrebentação das ondas há tendência à formação de bancos ou barras e fossas, que são tanto mais nítidos quanto mais regulares as ondas e menor a amplitude de maré – ondas regulares arrebentam sempre na mesma profundidade. • Quanto à direção de aproximação as ondas podem atingir as praias normal ou obliquamente a elas. 5.6.1 Ação das ondas normais à praia Somente em casos excepcionais as ondas atingem as praias perfeitamente na direção normal às mesmas, apesar da tendência a tal situação em decorrência do efeito de refração pelo fundo marinho. Nestas condições formam-se “correntes” de direção normal à praia e sentidos opostos. O balanço dessas diferentes correntes é que produz as tendências à erosão ou ao assoreamento da praia, em função das características das ondas. Entre as múltiplas “correntes” indicadas nas várias teorias pode-se citar, como as mais representativas: • Jato de arrebentação: que tende a levar o material para a praia pela arrebentação; • Corrente de compensação: que tende a compensar o acúmulo de água a praia pela arrebentação e no retorno conduz as partículas da praia para o largo; • Corrente de retorno (“Rip current”): que quando não há uma compensação entre as outras correntes, conduz o excesso de água 51 acumulado na praia para canais de retorno preferenciais, normais à praia, formando as volutas de praia. O perfil característico de praia apresentado na Figura 5-1 também sofre alterações devido ao clima. Em situações de bom tempo (verão), as ondas que chegam perpendiculares à costa têm menor energia (menor altura) de forma que após a arrebentação a maior parte do sedimento remobilizado para a praia não volta para o mar. Com isso, há uma acresção da praia. Já em situações de mau tempo (inverno) a energia das ondas é maior produzindo os efeitos conhecidos como ressacas em que os sedimentos que estavam na praia são remobilizados para o mar. As praias são, portanto, erodidas e os sedimentos são levados para próximo da zona de arrebentação, formando o que se chama de barra longitudinal. Os sedimentos acumulados nessa barra serão gradativamente levados para a praia assim que as ondas forem reduzindo sua energia no próximoverão. Espera-se, portanto, que, ao final desse ciclo, a resultante do transporte na direção perpendicular à praia seja praticamente nula. Na Figura 5-3 é apresentado um esquema com as alterações do perfil longitudinal da praia ao longo do ano. 52 Figura 5-3: Alterações do perfil longitudinal da praia ao longo do ano Fonte: Usace, 2008 (modificado) 5.6.2 Ação das ondas oblíquas às praias As ondas oblíquas às praias provocam o “transporte litorâneo”, ou seja, a movimentação dos sedimentos ao longo da praia (paralelo a praia). Esta movimentação é devida basicamente à formação de dois tipos de correntes: • Corrente de arrebentação ou corrente longitudinal: originada pela arrebentação, helicoidal, de alto poder erosivo, com resultante paralela à praia; • Corrente de jato de praia (zig-zag ou dente de serra): em que as cristas das ondas sobem ao longo da praia na direção das ondas e a água retorna pela linha de maior declive (normal à praia). A partícula de sedimento carregada pela ação das ondas, em um 53 movimento repetitivo, é transportada paralelamente à praia a mesma direção da corrente de arrebentação. A ação resultante das correntes de arrebentação e jato de praia denomina-se transporte litorâneo. Na Figura 5-4 é apresentada a corrente longitudinal gerada pela arrebentação oblíqua de ondas. Figura 5-4: Corrente longitudinal gerada pela arrebentação de ondas oblíqua a linha de costa Os volumes movimentados pelo transporte litorâneo podem ser muito elevados atingindo centenas de milhares de metros cúbicos por ano, ou, em condições excepcionais, transporte da ordem de dezenas de milhares de metros cúbicos em poucas horas. É exatamente devido a estas grandes movimentações que o transporte litorâneo pode causar sérios problemas nas obras marítimas, especialmente nos portos. 5.7 Transporte pelas correntes De um modo geral as correntes marítimas não têm velocidades suficientes para provocar a erosão dos fundos submarinos. Fazem exceção apenas as correntes de maré, especialmente nos estuários e em embocaduras onde em geral, há sedimentos de fina granulometria. Nestes casos as correntes de maré, conjugadas com as descargas fluviais, são as principais modeladoras do fundo submarino, formando canais profundos aproveitados para a navegação. partícula Frente de ondas Resultante da corrente longitudinal Vaivém resultante do ataque frontal das ondas Movimento das partículas de água 54 O transporte propriamente dito pelas correntes de maré, bidimensionais nos estuários, é feito em um lento vai e vem de partículas sólidas em suspensão ou arrastadas pelo fundo (menos frequente) dando como resultante final o lançamento no mar aberto, devido a predominância das correntes de vazante reforçadas pelas descargas fluviais. Cabe finalmente lembrar que as correntes, mesmo de pequena velocidade, são capazes de transportar grandes volumes de sedimentos colocados em suspensão por outras ações, por exemplo, pela arrebentação das ondas. 5.8 Formações típicas costeiras Nas praias de areia encontram-se por vezes, conformações particulares da costa, quase sempre originadas pelo transporte litorâneo. As mais importantes são: • Flechas (Figura 5-5): formadas nas desembocaduras de rios em praias com forte transporte litorâneo, podendo atingir grandes comprimentos. Exemplo: Foz do rio Ribeira de Iguapé – litoral Sul do Estado de São Paulo. Figura 5-5: Formação de flechas • Restingas ou lidos (Figura 5-6): são formações semelhantes às flechas, formadas nas entradas das baías, devido a interrupção do transporte litorâneo. Exemplo: Restinga da Marambaia, no litoral do 55 Estado do Rio de Janeiro, que fecha uma parte da Baía de Sepetiba. Figura 5-6: Formação de restinga • Tômbolos (Figura 5-7): São bancos formados entre as ilhas próximas aos continentes e os mesmos, com a forma pelicular e que normalmente só são descobertas nas baixa-mares. São formados pela ação das ondas difratadas nos extremos da ilha e pela interrupção do transporte litorâneo. Exemplo: Ilha Porchat na Baía de Santos. Figura 5-7: Formação de tômbolos • Barras: são bancos submersos formados nas desembocaduras de rios, estuários, entradas de lagunas ou mesmo nas entradas de baías que dificultam o acesso a navegação. Através dos bancos 56 submersos se dá a continuidade do transporte litorâneo ao longo das praias adjacentes. Exemplo: Barra de Cananéia no litoral do Estado de São Paulo. • Línguas e cordões litorâneos: são assim denominadas certas formações semelhantes às flechas e restingas, porém, com uma formação mais complexa. Exemplo: cordão que forma a Lagoa dos Patos no Rio Grande do Sul. 57 6 CANAL DE ACESSO E BACIA DE EVOLUÇÃO OU MANOBRAS 6.1 Dimensões do navio de projeto Loa: comprimento total; Lpp: comprimento entre perpendiculares; B: boca ou largura; T: calado – altura entre a linha de flutuação e a quilha; P: pontal (altura total do casco do navio); d: deslocamento (W) – peso do volume de água deslocado pelo navio (em carga, em lastro, em vazio), em toneladas métricas; TPB: tonelagem de porte bruto (DWT – dead weight) – diferença entre o deslocamento em carga e em vazio. 6.2 Berço de Atracação Comprimento do berço: (NT: navio tipo) Profundidade do berço: NTNTBerço BLL +≥ 0,1+= Thmín 58 6.3 Canal de Acesso 6.3.1 Profundidade mínima 6.3.1.1 Canal interno (não está sujeito ao ataque de ondas) 6.3.1.2 Canal externo (sujeito ao ataque de ondas) 6.3.2 Largura mínima requerida A metodologia apresentada abaixo é recomendada pela PIANC (1997). 10,1= T hmín 59 Para canal de mão simples a largura requerida (Lsimples) é dada pela soma de 12 fatores mais uma boca do navio (L@YO2ZA@ � B + ∑12 ����]�� ). Para canal de mão dupla a largura requerida (Ldupla) é o dobro da largura calculada para o canal de mão simples (2.Lsimples) mais um fator 13 que corresponde a largura adicional de passagem (LN^2Z_ � L@YO2ZA@ + ����] 13 ). Fator Descrição 1 Manobrabilidade 2 Velocidade do navio 3 Ventos transversais prevalecentes 4 Correntes transversais prevalecentes 5 Correntes longitudinais prevalecentes 6 Altura significativa Hs e comprimento de onda (λ) 7 Auxílio a navegação 8 Superfície de fundo 9 Profundidade de via navegável 10 Nível de periculosidade da carga 11 Intensidade do tráfego 12 Largura adicional devido à folga com a margem 13 Largura de passagem para canal de mão dupla 6.3.2.1 Classificação Velocidade da embarcação Intensidade dos ventos transversais (nós) Intensidade das correntes transversais (nós) Intensidade das correntes longitudinais (nós) Veloz Maior que 12 Moderada Maior que 8; Menor que 12 Lenta Maior que 5; Menor que 8 Severo Maior que 33; Menor que 48 Moderado Maior que 15; Menor que 33 Fraco Menor que 15 Forte Maior que 1,5; Menor que 2,0 Moderada Maior que 0,5; Menor que 1,5 Fraca Maior que 0,2; Menor que 0,5 Negligenciável Menor que 0,2 Forte Maior que 3,0 Moderada Maior que 1,5; Menor que 3,0 Fraca Menor que 1,5 60 Nível de periculosidade da carga Densidade do tráfego 6.3.2.2 Determinação dos valores dos fatores Manobrabilidade Largura adicional devido à folga com as margens Largura de passagem (mão dupla) Categoria Carga Baixa Passageiros; cargas em geral; containers; Granéis Sólidos Média Petróleo Alta Combustíveis, Gás Liquefeito de Petróleo,Metaneiros, Butaneiros, Produtos Químicos de todas as classes Categoria Densidade de Tráfego (Embarcações/hora) Leve 0 - 1 Moderada 1 - 3 Pesada > 3 Manobrabilidade da Embarcação Boa Moderada Ruim Largura Adicional 1,3 B 1,5 B 1,8 B Largura Adicional Velocidade da Embarcação Canal Externo (não-abrigado) Canal Interno (abrigado) Canal com Laterais Taludadas e com Bancos de Areia Veloz Moderado Lento 0,7 B 0,5 B 0,3 B - 0,5 B 0,3 B Margens íngremes e rígidas, estruturas Veloz Moderado Lento 1,3 B 1,0 B 0,5 B - 1,0 B 0,5 B Largura Adicional Canal Externo (não-abrigado) Canal Interno (abrigado) Velocidade da Embarcação Veloz Moderada Lenta 2,0 B 1,6 B 1,2 B - 1,4 B 1,0 B Densidade de Tráfego Leve Moderada Pesada 0 0,2 B 0,5 B 0 0,2 B 0,4 B 61 Largura Velocidade da Embarcação Canal Externo Canal Interno (a) Velocidade da Embarcação Veloz Moderada Lenta 0,1 B 0,0 0,0 0,1 B 0,0 0,0 (b) Ventos Transversais Prevalescentes Fraco Todas 0.0 0.0 Moderado Veloz 0,3 B - Moderada 0,4 B 0,4 B Lenta 0,5 B 0,5 B Severo Veloz 0,6 B - Moderada 0,8 B 0,8 B Lenta 1,0 B 1,0 B c) Correntes Transversais Prevalescentes Negligenciável Todas 0.0 0.0 Fraca Veloz 0,1 B - Moderada 0,2 B 0,1 B Lenta 0,3 B 0,2 B Moderada Veloz 0,5 B - Moderada 0,7 B 0,5 B Lenta 1,0 B 0,8 B Forte Veloz 0,7 B - Moderada 1,0 B - Lenta 1,3 B - d) Correntes Longitudinais Prevalescentes Fraca Todas 0.0 0.0 Moderada Veloz 0.0 - Moderada 0,1 B 0,1 B Lenta 0,2 B 0,2 B Forte Veloz 0,1 B - Moderada 0,2 B 0,2 B Lenta 0,4 B 0,4 B e) Altura Significativa HS e Comprimento de Onda λ λ λ λ (m) HS ≤ 1 e λ ≤ L Todas 0.0 0.0 3 > HS > 1 e λ = L Veloz 2,0 B - Moderada 1,0 B - Lenta 0,5 B - HS > 3 e λ > L Veloz 3,0 B - Moderada 2,2 B - Lenta 1,5 B - (f) Auxílios à Navegação excelente com controle de tráfego 0.0 0.0 bom 0,1 B 0,1 B moderado (rara ocorrência pobre visibilidade) 0,2 B 0,2 B moderado (frequente ocorrência pobre visibilidade) ≥ 0,5 B ≥ 0,5 B (g) Superfície do Fundo do Canal se profundidade ≥ 1,5 T 0.0 0.0 se profundidade < 1,5 T e lisa e macia 0,1 B 0,1 B lisa ou taludada e rígida 0,1 B 0,1 B rugosa e dura 0,2 B 0,2 B (h) Profundidade do Canal ≥ 1,5 T (interno e externo) 0.0 0.0 ≥ 1,25 T e < l,5 T (externo) ≥ 1,15 T e < l,5 T (interno) 0,1 B 0,2 B < 1,25 T (externo) < 1,15 T (interno) 0,2 B 0,4 B (i) Nível de Periculosidade da Carga Baixa 0.0 0.0 Média 0,5 B 0,4 B Alta 1,0 B 0,8 B 62 6.3.2.3 Trecho em curva – sobrelargura 6.3.3 Raio de curvatura mínimo 1,10 relação lâmina d'água / calado 1,15 1,20 1,30 1,50 ∞ ângulo do leme (°)10 20 30 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Ws: sobrelargura B: boca do navio tipo W s / B 1,10 1,15 1,20 1,30 1,50 ∞ relação profundidade / calado R / L pp ângulo do leme (°) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 R: raio de giro Lpp: comprimento entre perpendiculares 10 20 30 63 6.4 Bacia de Evolução ou Manobras 6.4.1 Diâmetro D = (2 a 4).Loa (com e sem assistência de rebocadores respectivamente) 6.4.2 Profundidade • Bacia desabrigada: mesma do canal de acesso; • Bacia abrigada: ℎOYB � � + 1,0� 6.5 Largura da entrada do Porto (medida no fundo) A largura da entrada do porto entre quebra-mares deve considerar um compromisso entre um acesso seguro para a navegação e a limitação de entrada da energia da onda (limitação da onda residual no interior da bacia portuária). Segundo A. F. Quinn, para: • Pequenos portos: 90m; • Médios portos: 120 a 150m; • Grandes portos: 150 a 250m. 64 7 PORTOS MARÍTIMOS – OBRAS DE MELHORAMENTO 7.1 Terminal Marítimo Definição mais geral: Local abrigada de ventos e ondas, onde uma embarcação pode, com segurança, aguardar condições de tranquilidade para navegar ou ter acesso à costa. São as reentrâncias da costa como baías, cabos, enseadas, estuários, etc. Definição mais específica: Local onde é feito o transbordo de cargas e passageiros das embarcações para terra firme supondo a existência de condições tais como acesso, abrigo, profundidades adequadas e obras de acostagem com equipamentos para manuseio de carga e instalações para armazenamento. Acesso: que possibilita à embarcação atingir o local abrigado Abrigo: local abrigado das ondas e correntes fortes Profundidade: adequada ao calado das embarcações Acostagem: para manter o navio imóvel durante as operações de transbordo Sob este enfoque os portos podem ser classificados em: • Portos naturais: possuem naturalmente as condições de acesso e abrigo. Ex: Santos (SP) • Portos artificiais: as condições de acesso e abrigo são proporcionadas através de obras. Ex: Praia Mole (ES) A evolução dos portos desde a antiguidade ocorreu da fixação de povos junto à costa em locais abrigados, passando pela melhoria desses locais através de obras, e depois, pela implantação de portos totalmente artificiais. 7.2 Tipos de Portos Além da classificação em portos naturais e artificiais, podem ser classificados: • Quanto à localização o Exteriores: em mar aberto junto a costa o Interiores: estuários, lagunas, etc o Mistos 65 o Off-shore (ao largo) • Quanto à utilização o De carga geral o Especializados (granéis) o De pesca o De lazer (marinas) o militares • Quanto à administração o Públicos o Privados 7.3 Tipos de Cargas 7.3.1 Carga Geral Contratadas através das conferencias para operação em rotas específicas (ou off sider). Produtos manufaturados (incluindo alimentos) Produtos semi-manufaturados (produtos químicos) Matérias-primas em pequenas quantidades (algodão, madeira) Alimentos não processados em pequenas quantidades (café, cacau) Cargas unitizadas (pallets e containeres) Roll on – roll off (ro-ro) ≠ lift on – lift off (lo-lo) ≠ lash Container: a partir de 1966 (TEU e FEU) cuja operação se aproxima do granel. Transporte intermodal 7.3.2 Granel Matérias-primas básicas (commodities) contratadas em bolsas internacionais sem rotas fixas (ou no mercado spot) Petróleo Carvão Minérios (ferro, manganês, bauxita, etc) Fosfato Grãos (soja, milho, trigo, etc) 66 Granéis são operados em terminais especializados. Lash – lighter – aboard – ships TEU – Twenty foot equivalent units (20’) FEU – Forty foot equivalent unit (40’) 7.4 Condicionantes de Projeto 7.4.1 Característica físicas da região de implantação
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