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UNIVERSIDADE FUMEC FACULDADE DE ENGENHARIA E ARQUITETURA T O P O G R A F I A CONCEITOS BÁSICOS Delson José Carvalho Diniz Professores: Alejandro Pérez-Duarte Fernandez Alexandre Villaça Diniz Cláudia Villaça Diniz Josiane Andrade Rodrigues Diniz Maria Ângela Villaça Diniz Belo Horizonte 2013 Sumário 1. DEFINIÇÃO ....................................................................................................... 3 1.1. Planta Topográfica ............................................................................................ 3 1.2. Locação da obra ............................................................................................... 4 2. APLICAÇÕES DA TOPOGRAFIA ..................................................................... 4 3. PLANO TOPOGRÁFICO ................................................................................... 8 4. LIMITAÇÃO DA TOPOGRAFIA ........................................................................ 9 5. VERTICAIS VERDADEIRAS E APARENTES ................................................. 10 6. GEODÉSIA ...................................................................................................... 11 7. LOCALIZAÇÃO DE PONTOS NA SUPERFÍCIE DA TERRA .......................... 11 7.1. Meridiano Geográfico...................................................................................... 12 7.2. Paralelo ........................................................................................................... 12 7.3. Meridiano de Origem ...................................................................................... 13 7.4. Latitude ........................................................................................................... 13 7.5. Longitude ........................................................................................................ 13 8. ORIENTAÇÃO DAS PLANTAS TOPOGRÁFICAS .......................................... 13 8.1. As Plantas Topográficas ................................................................................. 13 8.2. Bússolas ......................................................................................................... 14 8.3. Norte Verdadeiro ou Norte Geográfico ........................................................... 14 8.4. Norte Magnético ............................................................................................. 15 9. RUMO E AZIMUTE ......................................................................................... 19 10. ATUALIZAÇÃO DE RUMOS ........................................................................... 20 11. MAPAS ISOGÔNICOS E ISOPÓRICOS ......................................................... 21 12. EXEMPLOS PRÁTICOS ................................................................................. 23 13. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................ 28 3 TOPOGRAFIA CAPÍTULO 1 - Conceitos Básicos 1. DEFINIÇÃO A Topografia é a ciência que estuda a representação detalhada de um trecho limitado da superfície da terra, sem levar em consideração a curvatura resultante de sua esfericidade. Assim sendo, podemos sempre representar em um plano horizontal a imagem do terreno em estudo, com sua forma, limites, bem como todas as particularidades de importância, tanto naturais como artificiais. Essas particularidades, tais como: rios, cercas, vegetações, estradas, canais, cidades, relevos, construções isoladas, etc., serão mais ou menos detalhadas conforme a finalidade do trabalho. A Topografia, que é baseada na geometria e na trigonometria, tem por objetivo o estudo e representação da forma e dimensões da terra. No seu estudo tomaremos conhecimento de métodos e instrumentos que nos levarão a duas finalidades principais. 1.1. Planta Topográfica A planta topográfica, que é o desenho, em uma determinada escala do trecho da superfície da terra em estudo, com todos os seus detalhes. Essa planta topográfica nada mais é que a imagem do terreno projetado em um plano horizontal, também chamado de plano topográfico. OBS: Somente para recordar, sabemos que escala de um desenho é a relação entre uma medida qualquer de papel para a medida correspondente no campo. Por exemplo: na escala 1:2000 as medidas no campo são 2000 vezes maiores que as medidas correspondentes no desenho. 4 1.2. Locação da obra A locação da obra, que é a marcação do terreno da obra de engenharia que foi projetada tomando como base a planta topográfica obtida. Nesta fase locaremos eixos de paredes, pilares, pontos de eixos de uma estrada, etc. Isto é, marcaremos no terreno (ou locaremos) todos os pontos necessários à execução de uma obra. 2. APLICAÇÕES DA TOPOGRAFIA Engenharia Civil Estradas Reconhecimento Exploração Locação Controle de execução Medição Aeroportos Obtenção da planta topográfica Locação da obra Nivelamento da obra Controle permanente da pista Hidráulica Obtenção da planta topográfica Estudo do potencial hidráulico Estudo das bacias de acumulação Canais de irrigação - locação e nivelamento Controle de cheias Locação e controle na construção de barragens 5 Portos Obtenção da planta topográfica Locação da obra portuária Controle das marés Estudo de canais Construção Civil Obtenção da planta topográfica Locação de obras Acompanhamento durante a construção Verificação após o término da obra (controle de recalques, etc.) Engenharia Elétrica Obtenção da planta topográfica de faixas de domínio Locação de linhas de transmissão, subestações, etc. Locação e nivelamento de equipamentos Engenharia Mecânica Obtenção da planta topográfica Locação e nivelamento de equipamentos Controle periódico Engenharia Sanitária e Urbanismo Obtenção da planta topográfica Locação e nivelamento de redes de água e esgoto Drenagens Retificação de cursos d'agua Levantamento de áreas para urbanização Cadastro de cidades 6 Engenharia de Minas Obtenção da planta topográfica - Através da topografia subterrânea Locação de galerias e poços Arquitetura Obtenção da planta topográfica Uso de planta planialtimétrica para projetos Cálculo de áreas e volumes Geologia Obtenção da planta topográfica Demarcação de jazidas Prospecção de galerias Quando estudamos um determinado assunto, é fundamental que saibamos da importância e da sua utilização no nosso trabalho. Podemos dizer que a topografia é aplicada em todos os segmentos ligados a engenharia. Todas as vezes que vamos projetar uma obra de engenharia, arquitetura ou agronomia se faz necessário o prévio levantamento topográfico do local onde a mesma será construída, daí a importância da topografia. Fazer o levantamento topográfico consiste em realizar todas as operações necessárias para obtermos a planta topográfica, isto é, a medição de ângulos e distâncias (tanto horizontais como verticais) e a execução de cálculos e desenhos para a representação fiel, no papel, dos elementos contidos no terreno. Todas as vezes que vamos projetar uma obra de engenharia deveremos utilizar a planta topográfica do local onde será executada a mesma. Temos a necessidade de conhecermos a topografia para podermos tirar, da referida planta, todos os dados técnicos necessários a um bom projeto. Sempreque executarmos uma obra de engenharia se faz necessário o conhecimento dos métodos topográficos para locar, isto é, marcar no terreno todos os pontos do projeto já elaborado, necessários à execução da obra, como eixos de paredes, pilares, estradas, etc. 7 No quadro 1 mostramos os pontos de utilização da topografia na execução de qualquer obra de engenharia. Quadro 1 – Fluxograma descritivo da topografia. Fonte: Autoria própria. 8 3. PLANO TOPOGRÁFICO Como vimos anteriormente, todo terreno, pela TOPOGRAFIA, é considerado projetado ortogonalmente em um plano horizontal imaginário (evidentemente, todas as verticais serão paralelas entre si e normais ao plano). Escolhemos para esse fim um plano tangente ao esferóide terrestre, estando o ponto de tangência no interior da área a ser desenhada, na qual chamaremos de PLANO TOPOGRÁFICO. Fica assim estabelecida a hipótese de PLANO TOPOGRÁFICO. Na figura 1 abaixo podemos observar como é feita a representação de um terreno por meio da TOPOGRAFIA. Figura 1 – Representação topográfica do terreno. Fonte: www.Teachengeneering.org Na parte inferior temos a chamada representação topográfica do terreno. 9 Consideremos agora, na figura 2, os seguintes elementos: Figura 2 – Representação do esferóide terrestre. Fonte: Autoria própria. APB trecho do esferóide terrestre H plano horizontal tangente do esferóide terrestre no ponto P, ou PLANO TOPOGRÁFICO. PC = R raio médio da terra (média entre o raio equatorial e o raio polar). Para cálculos topográficos consideramos o valor R = 6.366.193 m (alguns autores usam o valor arredondado de 6.370 km). 4. LIMITAÇÃO DA TOPOGRAFIA Com a localização de dois pontos sobre o esferóide terrestre, ponto P e Q, e se levarmos em consideração a forma esférica da terra, a distância real entre eles seria o arco PQ. Quando substituímos a superfície esférica da terra pelo plano topográfico H, o ponto Q é projetado em Q' sobre H. A distância entre os dois pontos passa a ser PQ' = T, medida no plano horizontal H. 10 Sempre que medirmos a distância horizontal entre dois pontos, cometeremos um erro por substituirmos o arco pela tangente T. Esse erro pode ser calculado, e para T = 50 km o seu valor é aproximadamente 1 m, valor considerado pequeno em função dos erros humanos e de aparelhagem. Podemos então, limitar o campo de ação da topografia a um círculo de 50 km de raio, dentro do qual o erro acima citado é considerado desprezível. Se considerarmos o caso de uma estrada, uma linha de transmissão de energia elétrica, um oleoduto, etc., onde estudamos faixas muito estreitas da superfície da terra, as operações topográficas não têm limites. O levantamento poderia ser dividido em vários trechos AB, BC, CD, que poderiam ser estudados rebatidos a partir de B num plano BC. Figura 3 – Limite de atuação da topografia. Fonte: Autoria própria. O desenho final, que em vez de ser uma planta obtida convencionalmente seria um rebatimento de plantas sucessivas. 5. VERTICAIS VERDADEIRAS E APARENTES Com a hipótese de plano topográfico (PT) outro problema surge. A linha que passa pelo centro da terra C e pelo ponto Q e fura o plano topográfico em Q' (projeção Q nesse plano) é a vertical verdadeira (VV) de Q. Entretanto de Q' (projeção de Q) podemos traçar a normal ao plano topográfico obtendo a chamada vertical aparente (VA) do ponto Q. Podemos verificar na figura 2 que, para o ponto Q (projetado em Q' no PT) temos a VV e VA. Pela figura, sendo PC = 6.370 km a distância PQ' seria em torno de 4.000 km. 11 Considerando S no meio de PQ'(PS = 2.000 Km) e traçando a VA e VV verificamos que elas se aproximam. À medida que S se desloca na direção P (ponto de tangência), mais a VV se aproxima de VA. Se chegarmos ao limite da topografia (círculo de raio mais ou menos de 50 km), na prática, vemos que a vertical verdadeira pode ser considerada coincidente com a vertical aparente. Concluindo, os dois problemas que surgem pela substituição da superfície esférica da terra por um plano topográfico, ou seja, na medição de uma distância horizontal e verticais verdadeiras ou aparentes são desprezíveis. A influência no caso de diferença de nível entre dois pontos será estudada oportunamente no assunto do relevo terrestre. 6. GEODÉSIA Quando temos uma área de grande extensão, por exemplo, um estado ou um país que não caberia evidentemente, dentro de um círculo de 50 km de raio, não podemos usar a Topografia. Em tais casos utilizamos a Geodésia. Poderemos então definir a Geodésia como sendo “A ciência que estuda a representação detalhada de um trecho limitado da superfície da terra, levando em consideração a curvatura resultante da sua esfericidade”. O desenho do terreno obtido por meio da Geodésia tem a denominação de carta geográfica ou geodésica. 7. LOCALIZAÇÃO DE PONTOS NA SUPERFÍCIE DA TERRA Para melhor entender o estudo do posicionamento geográfico de ponto na superfície da terra, vamos observando na figura 4, definir alguns elementos de importância. 12 Figura 4 – Localização de pontos na superfície terrestre. Fonte: Autoria Própria. 7.1. Meridiano Geográfico De um ponto A da superfície da terra é o plano vertical que passa por este ponto e pelos pólos Norte e Sul verdadeiros ou geográficos. 7.2. Paralelo De um ponto A da superfície da terra é o plano que passa pelo ponto e é paralelo ao plano do Equador. 13 7.3. Meridiano de Origem O meridiano de origem ou, de Greenwich é o meridiano que passa pelo observatório de Greenwich, na Inglaterra e é considerado internacionalmente, como origem da medição de longitudes. 7.4. Latitude De um ponto qualquer (A) sobre a superfície da Terra é o ângulo que a vertical verdadeira de A forma com o plano do equador. As latitudes são consideradas a partir do Equador, positivas de 0° a 90° Norte e negativas de 0º a 90º Sul. 7.5. Longitude De um ponto qualquer (A) sobre a superfície da terra é o ângulo diedro formado pelo meridiano de origem com o meridiano que passa pelo ponto A. São marcadas a partir do meridiano de origem de 0° a 180° Este (positivo) ou de 0° a 180º Oeste (negativo). OBS: as latitudes e longitudes são chamadas de coordenadas geográficas e define a posição exata de um ponto qualquer sobre o esferóide terrestre. 8. ORIENTAÇÃO DAS PLANTAS TOPOGRÁFICAS 8.1. As Plantas Topográficas As plantas topográficas (como também as cartas geodésicas e mapas cartográficos) são orientadas em relação à direção do norte verdadeiro (direção imutável) ou norte magnético (direção variável). Sempre procuramos colocar a vertical do papel de desenho na direção do NV. Como única exceção, podemos citar a planta de situação dos projetos arquitetônicos, nos quais colocamos a via pública na horizontal ou vertical do papel, inclinando a posição da direção norte. Também nas plantas cadastrais onde constam as coordenadas U.T.M. a vertical do papel coincide com o chamado norte da quadrícula. 14 8.2. Bússolas As bússolas são aparelhos constituídos por uma agulha imantada apoiada em um pino de sustentação e que gira livremente no centro de um limbo graduado. O ponto norte da agulha apontará para um ponto, denominado norte magnético próximo ao norte verdadeiro. 8.3. Norte Verdadeiro ou Norte Geográfico É invariável, imutável, é o ponto em que o eixo de rotação da terra em torno de si mesma fura o globo terrestre no Hemisfério Norte (ponto geográfico de latitude 900Norte). Se considerarmos um ponto qualquer A sobre a superfície da terra e se imaginarmos a interseção do meridiano verdadeiro de A com o plano topográfico (materializado pelo plano do papel) teremos a direção do norte verdadeiro NV. Figura 5 – Identificação dos meridianos Fonte: Autoria Própria. 15 8.4. Norte Magnético Se colocarmos uma bússola no ponto A, podemos imaginar um plano vertical passando pelo eixo longitudinal da bússola, que chamamos de meridiano magnético do ponto A. A sua interseção com o plano do papel nos dará a direção do norte magnético. Esta direção é variável, pois o NM gira em torno do NV. O ângulo formado pela direção do NV com a direção do NM é chamado de declinação magnética (d), e é um ângulo variável. Figura 6 – Declinação magnética. Fonte: Autoria própria. Podemos considerar as seguintes variações da declinação magnética: Variações de 1a Ordem Geográficas Seculares OBS: tem grande importância nos trabalhos da topografia. 16 Para melhor entendermos tais variações, imaginemos um observador colocado no infinito e sobre o eixo de rotação da Terra. Ele veria o globo terrestre conforme a figura 7, isto é, veria o NV e o Equador. Se imaginarmos o NM girando em torno do NV, podemos fazer as seguintes observações. Variação Geográfica (ver figura 7) Se fixarmos o tempo, a declinação magnética varia conforme a posição geográfica do ponto considerado sobre a superfície da Terra. Para o ponto A, a declinação magnética seria dA e o NM, para quem está em A, seria à esquerda do NV. Para o ponto B, a declinação magnética seria dB e também o NM estaria à esquerda do NV. Para o ponto C, a declinação seria dC e seria nula. Para o ponto D, a declinação seria dD e o NM estaria à direita do NV. Figura 7 – Variação Geográfica. Fonte: Autoria própria 17 Observamos que os quatro valores são diferentes, bem como a posição relativa do NV e NM. Como NM pode estar à esquerda ou à direita do NV, devemos adotar uma convenção. Figura 8 – Declinação magnética ocidental e declinação magnética oriental. Fonte: Autoria própria Variação Secular (ver figura 9) Em um ponto fixo sobre a superfície da Terra, a declinação varia com o tempo. Consideremos a figura, na qual, seguindo o mesmo raciocínio da figura anterior, vamos agora considerar um ponto fixo P sobre a superfície da terra e deixar o tempo correr, isto é, o NM girar em torno do NV. 18 Figura 9 – Variação Secular. Fonte: Autoria própria Inicialmente o NM estaria na posição 1 e a declinação seria d1 ocidental. Com o passar do tempo, o NM iria ocupar a posição 2 e a declinação seria d2 ocidental, até chegar à posição 4 de declinação nula. A partir deste ponto, a declinação iria crescer até o ponto 5 de declinação d5 que seria o valor máximo oriental. Continuando, iria decrescer no sentido oriental até o ponto 6 de d = 0 novamente, e assim por diante. OBS: Estas duas variações, a geográfica e a secular são importantes para o trabalho de topografia com aplicação na engenharia. 19 Variações Secundárias Mensal Diária Local OBS: tem pouca importância para a Topografia. 9. RUMO E AZIMUTE Se considerarmos dois pontos sobre a superfície da Terra P e Q, chamamos de alinhamento PQ à interseção do plano vertical que passa por P e Q com o plano topográfico e é representado em planta pela reta PQ. Chamamos de Rumo do alinhamento PQ ao ângulo formado pelo mesmo com a direção norte e contado de 00 a 900 em cada quadrante NE, SE, SO, NO e seria rumo magnético se considerarmos o norte magnético e rumo verdadeiro se considerarmos o norte verdadeiro. Chamamos de Azimute do alinhamento PQ ao ângulo formado pelo mesmo com a direção norte e contado de 00 a 3600 no sentido horário. Seria azimute magnético se considerarmos o norte magnético e azimute verdadeiro se considerarmos o norte verdadeiro. Existem bússolas que têm graduações para fornecer rumos e outras azimutes. A transformação é bastante simples. 20 Figura 10 – Rumos e Azimutes. Fonte: Curso de topografia - Lélis Espartel-1980 10. ATUALIZAÇÃO DE RUMOS Quando fazemos um levantamento topográfico, nosso trabalho de campo tem as direções definidas a partir do norte magnético, marcado pela bússola. As direções de diferentes alinhamentos estão posicionadas por algum dos sistemas: rumos ou azimutes, sendo neste caso chamados de MAGNÉTICOS ao estar definidos a partir do norte magnético. Sabendo que o norte magnético sofre variações ao longo do tempo, é fundamental levar em conta as variações na declinação. Se precisarmos posicionar esses alinhamentos novamente em alguma data posterior a que foi medida, precisamos então atualizá-los. Esta correção coincide com a variação da declinação do período. 21 Por outro lado, se mudamos de lugar, também precisaremos levar em conta a variação geográfica da declinação. Mas, se trabalharmos com rumos e azimutes verdadeiros, quer dizer, medidos a partir do norte verdadeiro não haverá necessidade de correção. 11. MAPAS ISOGÔNICOS E ISOPÓRICOS Para a obtenção da declinação e também para sua variação anual, podemos usar os mapas ou cartas magnéticas. Na figura 11 temos o mapa isogônico. Poderíamos definir linha ou curva isogônica como sendo o lugar dos pontos que tinham a mesma declinação na data da elaboração do mapa. A isogônica, portanto nos fornece declinação magnética no local que desejamos para o ano da carta (no nosso exemplo, janeiro de 1965). Na figura 12 temos o mapa isopórico. Poderíamos definir linha ou curva isopórica como sendo o lugar dos pontos que tinham a mesma variação anual de declinação. Com as curvas isogônicas podemos obter a declinação em qualquer local na data do mapa e com as curvas isopóricas podemos obter a variação anual de declinação magnética e fazer a correção para qualquer data. Quando um ponto está entre curvas isogônicas ou isopóricas devemos fazer a interpolação gráfica para termos valores mais exatos. 22 Figura 11 - CARTA ISOGÔNICA. Fonte - OBSERVATÓRIO NACIONAL – MEC 23 Figura 12 - CARTA ISOPÓRICA Fonte - OBSERVATÓRIO NACIONAL – MEC 12. EXEMPLOS PRÁTICOS Ex.1 Uma cidade, tinha em 1947, a declinação de 18º 20’ ocidental. Sendo a variação média anual de declinação 9’ ocidental, determinar a declinação atual. a) Período Tempo = 2013 - 1947 = 66 anos 24 b) Variação total (1947 a 2013) V.T. = 9' oc. x 66 anos = 9º 54’ ocidental c) Declinação em 2013 d 2013 = (18° 20' + 9° 54') ocidental d 2013 = 28º 14’ ocidental Figura 13 – Declinação. Fonte: Autoria própria. 25 Ex.2 No ponto P a declinação em 1951 era 20° 17' Oriental. Sendo a variação anual de 8' Ocidental, determinar a declinação atual. a) Período Tempo = 2013 - 1951 = 62 anos b) Variação total (1951 a 2013) V.T. = 8’ oc. x 62 = 8º 16’ Ocidental c) Declinação em 2013 d 2013 = (20° 17' - 8º 16’) oriental d 2013 = 12º 01’ Oriental Figura 14 – Declinação. Fonte: Autoria própria. 26 Ex.3 O rumo magnético do eixo AB de uma avenida, era em 1968 76° 18' 49" NO. A declinação no local na mesma data era 1° 30' Oriental. Sendo a variação média anual da declinação 10' Ocidental, determinar: a) a declinação em 2013 b) o rumo verdadeiro em 1968 c) o rumo magnético em 2013 d) o rumo verdadeiroem 2013 e) o ano de declinação nula a) Declinação magnética em 2013 Tempo: 2013 - 1968 = 45 anos V.T. = 10’ oc. x 45 = 7° 30' Ocidental d 2013 = (7° 30' - 1° 30') Ocidental d 2013 = 6º Ocidental b) Rumo verdadeiro em 1968 Rv = 76º 18' 49" NO – 1º30' = 74º 48' 49" NO OBS: Como a direção do NV é imutável e a direção do eixo da avenida também, o rumo verdadeiro é o mesmo em qualquer data. c) Rumo magnético em 2013 Rm 2013 = 76º 18' 49" NO – 7º 30’ = 68º 48’ 49” NO d) R u m o v e r d a d e i r o e m 2 0 1 3 Ver observação no item b e) Ano de declinação nula O NM tem um deslocamento no sentido ocidental de 10' por ano. Para percorrer 1º30' ou 90', necessitou de 9 anos, quando o NM coincidiu com o NV. Portanto em 1977 a declinação foi nula. 27 1º30’/10’ = 9 anos 1968 + 9 anos = 1977 d = 0 Figura 15 – Rumos e Declinação magnética Fonte: Autoria própria. 28 13. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BORGES, Alberto de Campos. Exercícios de topografia. São Paulo: E. Blücher, 1977. p.192. BORGES, Alberto de Campos. Topografia: aplicada à engenharia civil: 2. ed. São Paulo: E. Blücher, 1977. p.191. BORGES, Alberto de Campos. Topografia: aplicada à engenharia civil: 2. ed.. São Paulo: E. Blücher,1992. p.232. CASACA, João Martins; MATOS, João Luís de; DIAS, José Miguel Baio. Topografia geral: 6. ed. Lisboa: ed.Lidel, 2005. cap. XVII, p.388. CORDINI, Jucilei. Topografia contemporânea: planimetria. 3. ed.. Florianópolis: UFSC, 2007. cap. XXVI, p.321. FITZ, Paulo Roberto. Geoprocessamento sem complicação. São Paulo: Oficina de Textos, 2008. p.160. FONSECA, Rômulo Soares. Elementos de desenho topográfico. São Paulo: McGraw-Hill, 1973. p.192.
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