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Notas de Aula de Topografia I Prof. Carolina Vieira 2018-2 CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 1 Sumário 1. Introdução à Topografia .......................................................................................................... 6 1.1. . Definição de Topografia ......................................................................................................... 6 Utilização da Topografia.............................................................................................................. 6 1.2. Evolução Histórica .................................................................................................................... 6 1.3. Geodésia................................................................................................................................... 7 1.4. Divisões da Topografia ............................................................................................................. 7 Planimetria .................................................................................................................................. 7 Altimetria..................................................................................................................................... 7 1.5. Erros em Topografia................................................................................................................. 8 Sistemáticos ou Naturais............................................................................................................. 8 Acidentais ou Instrumentais ....................................................................................................... 8 Grosseiros ou Pessoais ................................................................................................................ 8 Exercícios ..................................................................................................................................... 8 2. Equipamentos Topográficos .................................................................................................. 10 2.1. Instrumentos Topográficos .................................................................................................... 10 Teodolito ................................................................................................................................... 10 Nível........................................................................................................................................... 11 Estação Total ou Taqueômetro Eletrônico................................................................................ 11 Receptor GNSS – Global Navigation Satellite System ............................................................... 11 Trena & Fita de Topografia........................................................................................................ 12 Tripé e bipé................................................................................................................................ 12 Fio de prumo ............................................................................................................................. 13 Bastão ou baliza ........................................................................................................................ 13 Mira, Estádia ou Régua Graduada............................................................................................. 14 Nível de Cantoneira ................................................................................................................... 14 Distanciômetro .......................................................................................................................... 15 Prisma ........................................................................................................................................ 15 Exercícios ................................................................................................................................... 16 3. Revisão Matemática............................................................................................................... 17 3.1. Ângulos e Arcos...................................................................................................................... 17 O Grau ....................................................................................................................................... 17 Conversão entre os sistemas Sexagesimal e o Decimal ........................................................ 17 De Sexagesimal para Decimal ............................................................................................... 17 De Decimal para Sexagesimal ............................................................................................... 17 CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 2 O Grado ..................................................................................................................................... 18 O Radiano .................................................................................................................................. 19 Conversão de Radianos para Graus ...................................................................................... 19 3.2. Triângulos ............................................................................................................................... 19 Trigonometria Básica no Triângulo Retângulo .......................................................................... 19 Relações Trigonométricas no Triângulo Retângulo .................................................................. 20 Relações Trigonométricas em um Triângulo Qualquer ............................................................ 20 Lei dos senos ......................................................................................................................... 20 Lei dos cossenos .................................................................................................................... 20 Exercícios ................................................................................................................................... 21 3.3. Retas e Ângulos ...................................................................................................................... 23 Ângulos formados por duas retas paralelas com uma transversal ........................................... 23 Ângulos colaterais internos ................................................................................................... 23 Ângulos colaterais externos .................................................................................................. 23 Ângulos alternos internos ..................................................................................................... 24 Ângulos alternos externos .................................................................................................... 24 Ângulos correspondentes ..................................................................................................... 24 Ângulos opostos pelo vértice ................................................................................................ 24 Exercícios ................................................................................................................................... 25 3.4. Geometria Plana .................................................................................................................... 27 Áreas.......................................................................................................................................... 27 Exercícios ................................................................................................................................... 28 Ângulos em um polígono ..........................................................................................................29 Soma dos ângulos internos de qualquer polígono ............................................................... 29 Soma dos ângulos externos de qualquer polígono ............................................................... 29 Exercícios ................................................................................................................................... 30 Plano Cartesiano ....................................................................................................................... 30 Distância entre dois pontos .................................................................................................. 31 Exercícios ................................................................................................................................... 31 Ponto médio de um segmento no plano .............................................................................. 32 Exercícios ................................................................................................................................... 32 4. Escalas .................................................................................................................................... 34 4.1. Definição de Escala ................................................................................................................ 34 EXEMPLO ................................................................................................................................... 35 Exercícios ................................................................................................................................... 36 CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 3 5. Rumos e Azimutes.................................................................................................................. 38 Rumo ............................................................................................................................................. 38 Azimute ......................................................................................................................................... 38 Conversão de Azimute para Rumo............................................................................................ 39 Conversão de Rumo para Azimute............................................................................................ 39 Exercícios ................................................................................................................................... 40 6. Levantamento planimétrico................................................................................................... 43 Poligonação ................................................................................................................................... 44 Classificação de poligonais .................................................................................................... 45 Tipos de poligonais ................................................................................................................ 45 Levantamento da poligonal....................................................................................................... 47 Coleta de ângulos .................................................................................................................. 48 Coleta de Distâncias .............................................................................................................. 49 Coleta de detalhes................................................................................................................. 50 Croqui .................................................................................................................................... 50 Coleta de dados em campo....................................................................................................... 51 Instalação do equipamento .................................................................................................. 51 Instalando o tripé .................................................................................................................. 51 Centragem e nivelamento..................................................................................................... 54 Cuidados ................................................................................................................................ 57 Organização dos dados de campo ............................................................................................ 57 Procedimento pós-levantamento ............................................................................................. 58 Exercícios ................................................................................................................................... 59 7. Estadimetria ........................................................................................................................... 62 7.1. A Mira ..................................................................................................................................... 62 Determinação das distâncias (Taqueometria ou Estadimetria).................................................... 63 Visada Horizontal ...................................................................................................................... 64 Visada Inclinada......................................................................................................................... 65 Organização dos dados de campo ............................................................................................ 67 Exercícios ................................................................................................................................... 67 8. Cálculo Planimétrico .............................................................................................................. 72 8.1. Sequência de Cálculo ............................................................................................................. 72 8.2. Levantamento Planimétrico................................................................................................... 72 Erro angular ............................................................................................................................... 72 Exemplo ..................................................................................................................................... 73 CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 4 Avaliação do Erro Angular ..................................................................................................... 74 Exemplo ..................................................................................................................................... 74 Exercício .................................................................................................................................... 74 Distribuição do Erro Angular ................................................................................................. 75 Exemplo ..................................................................................................................................... 75 Cálculo de Azimute.................................................................................................................... 76 Exemplo ..................................................................................................................................... 78 Cálculo das Coordenas Parciais ................................................................................................. 79 E & N ................................................................................................................................. 79 Exemplo ..................................................................................................................................... 80 Erro Linear............................................................................................................................. 81 Avaliação do Erro Linear........................................................................................................ 82 Exercício .................................................................................................................................... 82 Correção e distribuição do Erro linear .................................................................................. 82 Exemplo ..................................................................................................................................... 83 Cálculo das Coordenadas Finais ................................................................................................ 84 Exemplo ..................................................................................................................................... 84 Exemplo – Ângulos Externos ..................................................................................................... 85 Determinação do Erro Angular ................................................................................................. 85 Avaliação do Erro Angular ......................................................................................................... 85 Distribuição do Erro Angular ..................................................................................................... 86 Cálculo de Azimutes .................................................................................................................. 87 Cálculo das Coordenadas Parciais ............................................................................................. 88 Avaliação e Distribuição do Erro Linear .................................................................................... 89 Cálculo das Coordenadas Finais (Coordenadas Totais)............................................................. 90 Exercício .................................................................................................................................... 91 9. Cálculo Planimétrico: Detalhes .............................................................................................. 92 9.1. Irradiação ............................................................................................................................... 92 9.2. Cálculos .................................................................................................................................. 93 Cálculo dos Azimutes ................................................................................................................ 93 Cálculo das Coordenadas Parciais ............................................................................................. 94 Cálculo das Coordenadas Finais ................................................................................................ 94 Exercícios ................................................................................................................................... 95 10. Referência Bibliográfica ......................................................................................................... 96 CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 5 Esse material foi elaborado com a finalidade de auxiliar os alunos da Disciplina de Topografia I. Uma parte desse material é compilação de outros materiais disponíveis na internet, uma parte é de autoria da prof. Carolina Vieira. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 6 1. Introdução à Topografia 1.1. . Definição de Topografia Etimologicamente, a palavra “Topografia” deriva das palavras gregas: topos que significa lugar e graphen que significa descrever. Portanto, topografia quer dizer descrição de um lugar. Em outras palavras, topografia é a arte de representar no papel a configuração de uma extensão de terra com a posição de todos os seus acidentes naturais ou artificiais. Segundo Veiga, Zanetti e Faggion (2012), o objetivo principal é efetuar o levantamento (executar medições de ângulos, distâncias e desníveis) que permita representar uma porção da superfície terrestre em uma escala adequada. Às operações efetuadas em campo, com o objetivo de coletar dados para a posterior representação, denomina-se de levantamento topográfico. Geomática é um termo relativamente novo, bastante aplicado na atualidade para abranger áreas antes identificadas como agrimensura ou topografia. O motivo dessa alteração é função do desenvolvimento de novas tecnologias que forneceram aos topógrafos novas ferramentas para medição e/ou coleta de informações. Utilização da Topografia Ao se projetar qualquer obra de Engenharia, Arquitetura ou Agronomia, se impõe a necessidade do prévio levantamento topográfico do lugar onde o projeto será implantado. Assim, como exemplos de utilização da Topografia, podem ser citados: Projetos e execução de estradas; Grandes obras de engenharia como: pontes, portos, viadutos, túneis, etc. Locação de obras; Trabalhos de terraplenagem; Monitoramento de estruturas; Planejamento urbano; Irrigação e drenagem; Reflorestamentos; Outros... 1.2. Evolução Histórica A curiosidade do homem levou-o a observar os fenômenos naturais em torno de si, ao longo dos séculos o estudo da forma da Terra norteou o homem na busca pelo conhecimento da superfície terrestre. Alguns estudiosos se destacaram, são eles: Thales de Mileto (625-547 a.C.) fundador da trigonometria, considerava aTerra com a forma de um disco que flutuava no infinito. Anaximandro de Mileto (611-545 a.C.) considerava a Terra como um cilindro com eixo orientado na direção leste-oeste. A escola de Pitágoras (580-500 a.C.) foi a primeira a acreditar na esfericidade da Terra, essa ideia prevaleceu por mais de dois milênios. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 7 Erastótenes (276-104 a.C.) é considerado o percursor da Geodésia, foi o primeiro trabalho científico que determinou as dimensões da Terra. Sir Isaac Newton (1642-1727) considerou a forma da Terra como uma figura geométrica gerada pela rotação de uma elipse em torno de seu eixo menor. Gauss (1777-1855) caracterizou o Geóide como uma superfície equipotencial do campo de gravidade que coincide com o nível médio não perturbado dos mares. 1.3. Geodésia A Geodésia se ocupa dos processos de medida e especificação para o levantamento e representação de uma GRANDE extensão da superfície terrestre projetada numa superfície de referência. A forma da Terra é representada pelo geoide, forma obtida pelo prolongamento do nível médio dos mares, em repouso, pelos continentes, e este não oferece representação matemática. Assim, o geoide é simplificado para um elipsoide de revolução, formado por uma elipse girante em torno de seu eixo menor. Pode-se ainda simplificar o geoide para uma esfera ou um plano em função da área que se deseja representar e da precisão necessária. Na Figura 1 podemos ver o geoide e suas simplificações. Figura 1 - Geoide, elipsoide de revolução, esfera e plano respectivamente. A topografia supõe a Terra plana, portanto, resulta em plantas e não em cartas. Áreas de 25 a 30 km² podem ter os efeitos de curvatura da Terra desprezados. 1.4. Divisões da Topografia Sucintamente, a topografia pode ser subdivida em topometria que abrange a planimetria e altimetria. Na literatura existem outras subdivisões que não serão objeto de nossos estudos. Citando-as apenas, tem-se ainda a topologia, taqueometria e fotogrametria. Planimetria Determinação das distâncias horizontais de um local que será representado sobre um plano de referência horizontal através de suas coordenadas X e Y. Altimetria Determinação das distânciasverticais em relação a um plano de referência vertical. É representada através de curvas de nível ou pontos cotados. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 8 1.5. Erros em Topografia Em geral, os erros de observação são divididos em três grupos: erros grosseiros ou equívocos, erros sistemáticos e erros acidentais. Sistemáticos ou Naturais São aqueles ocasionados por fatores ambientais, ou seja, temperatura, vento e pressão atmosférica. Dificilmente podem ser evitados, no entanto, alguns deles podem ser corrigidos. Acidentais ou Instrumentais São aqueles ocasionados por defeitos ou imperfeições dos instrumentos ou aparelhos utilizados nas medições. Podem ser evitados a partir da aferição e calibragem dos equipamentos. Grosseiros ou Pessoais São aqueles ocasionados pela falta de cuidado do operador. Devem ser evitados pois não são passiveis de correção. IMPORTANTE Ao trabalharmos com qualquer tipo de grandezas que são medidas (dis tâncias, áreas, volumes etc.), devemos renunciar a pretensão de chegar ao valor verdadeiro destas grandezas. As observações realizadas, mesmo que repetidas em condições supostamente idênticas, sempre vão apresentar os inevitáveis erros de medida. Tais erros de medida são atribuídos à falibilidade humana; à imperfeição do equipamento e a influência das condições atmosféricas. Exercícios 1) “Por melhores que sejam os equipamentos e por mais cuidado que se tome ao executar um levantamento topográfico, as medidas obtidas jamais estarão isentas de erros.” A respeito do enfoque dado acima, assinale a alternativa que apresenta a definição correta de erro natural. A ( ) São aqueles ocasionados por defeitos ou imperfeições dos instrumentos ou aparelhos utilizados nas medições. Alguns destes erros são classificados como erros acidentais e ocorrem ocasionalmente, podendo ser evitados e/ou corrigidos com a aferição e calibragem constante dos aparelhos. B ( ) São aqueles ocasionados por fatores ambientais, ou seja, temperatura, vento, refração, pressão atmosférica, ação da gravidade, etc.. Alguns destes erros são classificados como erros sistemáticos e dificilmente podem ser evitados. Devem ser tomadas as devidas precauções durante a medição para que sejam minimizados. C ( ) São aqueles ocasionados pela falta de cuidado do operador. Os mais comuns são: erro na leitura dos ângulos, erro na leitura da régua graduada, na contagem do número de trenadas, ponto visado errado, aparelho fora de prumo, aparelho fora de nível, etc. D ( ) São aqueles ocasionados por defeitos ou imperfeições do operador somado com a falta da experiência do mesmo. E ( ) São erros ocasionados quando o operador não teve a intenção de errar, também chamado de erro culposo. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 9 2) Podemos afirmar que a topografia é aplicada em todos os trabalhos de engenharia civil, em menor ou maior escala. Por exemplo, na construção de uma estrada, o topógrafo participa do anteprojeto, executa a linha de ensaio, controla a execução da pavimentação, corrige curvas mal elaboradas, colabora na sinalização, etc.” O texto acima ressalta a importância da topografia, cujas divisões têm características próprias. Indique se é falso (F) ou verdadeiro(V) o que se afirma abaixo. A seguir assinale a alternativa que contém a sequência correta. ( ) Na planimetria são medidas as grandezas sobre um plano vertical. ( ) Através da altimetria fazemos medições das distâncias e dos ângulos horizontais. ( ) Os detalhes da planimetria são representados sobre um plano vertical. A ( ) F – F – F B ( ) F – V – V C ( ) V – F – F D ( ) V – V – V E ( ) F – V – F 3) A topografia pode ser dividida de forma simplificada em duas partes. Quais são elas e o que as diferencia? A utilização da topografia na engenharia é vasta, cite duas delas. Escreva um parágrafo discorrendo sobre o assunto. 4) Quais erros podem ocorrer em um levantamento topográfico? Como são causados e como podemos eliminá-los? Escreva um parágrafo discorrendo sobre o assunto. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 10 2. Equipamentos Topográficos O objetivo é apresentar, descrever e identificar os principais instrumentos utilizados na topografia. 2.1. Instrumentos Topográficos Teodolito Instrumento destinado a medir ângulos horizontais e verticais. Podem ser mecânicos ou eletrônicos. Figura 2 – Teodolito Eletrônico Leica Figura 3 – Teodolito Eletrônico Nikon NE-101 CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 11 Nível Instrumento destinado a gerar um plano horizontal de referência visando calcular os desníveis entre pontos. Figura 4 - Exemplos de Nível Óptico Estação Total ou Taqueômetro Eletrônico A evolução dos instrumentos de medida de ângulos e distâncias trouxe como consequência o surgimento destes novos instrumentos, que nada mais são do que teodolitos eletrônicos digitais com distanciômetros eletrônicos incorporados e montados num só bloco. Trazem muita vantagem para a automação de dados, podendo inclusive armazenar os dados coletados e executar alguns cálculos mesmo em campo. Figura 5 - Exemplos de Estação Total Receptor GNSS – Global Navigation Satellite System Instrumento destinado para medição de coordenadas geodésicas utilizando satélites disponíveis na órbita. Podem utilizar o sistema de posicionamento norte americano GPS, o russo GLONASS, o europeu GALILEU e o chinês BEIDOU. Figura 6 – Exemplo de Receptores GNSS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 12 Trena & Fita de Topografia São usadas para medir distâncias de forma direta. As trenas podem ser de fibra de vidro, aço ou ínvar1. As de vidro devem ser manuseadas com cuidado por serem quebradiças. As de aço devem ser utilizadas levando em consideração a dilatação térmica, aplicando o fator de correção de temperatura. As fitas de topografia encontradas hoje em dia são revestidas de nylon ou epoxy e, portanto, são resistentes à umidade, produtos químicos, produtos oleosos e a temperaturas altas. O comprimento das fitas utilizadas em levantamentos topográficos são geralmente de 20, 50 e 100 m. Figura 7 – Tipos de Trenas e fita de topografia Tripé e bipé Tripé é utilizado para a sustentação de outros instrumentos como teodolitos, estações totais, níveis, bastão, baliza, etc. Por sua vez, o Bipé é um suporte para apoio da baliza ou do bastão. Figura 8 – Exemplos de Tripé 1 As l igas ínvar têm teor de níquel na faixa de 30 a 36%, sendo o restante de ferro, podendo ser acrescentados outros elementos . A l iga mais usada tem 36%Ni e 64%Fe, sendo conhecida como Invar-36, cujo coeficiente de dilatação é inferior a 1,5x10-6/°C, entre 0°C e 100°C. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 13 Figura 9 – Exemplos de Bipé Fio de prumo Instrumento para detectar a vertical do lugar e elevar o ponto. Pode ser adaptado num prisma ortogonal ou em um tripé. Figura 10 – Exemplos de Prumos Bastão ou baliza Instrumento que serve para elevar o ponto topográfico com o objetivo de torná-lo visível. Possui encaixe ou rosca para adaptação de antena GPS ou prisma. Figura 11 – Balizas CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 14 Figura 12 - Exemplo de Bastões Mira, Estádia ou Régua Graduada Miras nada mais são do que réguas graduadas. Existem no mercado diversos modelos de miras, geralmente com comprimento entre 2 e 4 m. Apresentam articulação do tipo telescópica ou dobradiça. Quanto ao material, podem ser de madeira, fibra de vidro, alumínio ou ínvar. Figura 13 – Exemplos de miras Nível de Cantoneira Instrumento utilizado para detectar a vertical de outro instrumento. Pode ser adaptado numa baliza ou numa mira.Figura 14 - Nível de Cantoneira CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 15 Distanciômetro Instrumento destinado a medir distâncias inclinadas. Deve ser acoplado a um teodolito para possibilitar a medição do ângulo vertical para calcular a distância horizontal e a distância vertical. Figura 15 - Distanciômetros Prisma Instrumento destinado à reflexão do sinal emitido por um distanciômetro ou uma estação total. Figura 16 - Modelos de prismas CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 16 Exercícios 5) Dadas as figuras abaixo, marque a alternativa CORRETA quanto ao nome dos equipamentos usados em topografia. A ( ) Fio de prumo / Nível de cantoneira / Prisma B ( ) Bastão / Teodolito / Baliza C ( ) Nível de cantoneira / Baliza / Estação total D ( ) Fio de prumo / Prisma / Nível E ( ) Nível / Prisma / Fio de prumo 6) Em topografia utilizamos vários equipamentos para o cadastramento de áreas (planimetria). Sabendo disso e conhecendo esses equipamentos, cite pelo menos três equipamentos utilizados, descreva para que servem e como devem ser usados. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 17 3. Revisão Matemática Nesse capítulo serão abordados alguns conceitos básicos de matemática afim de facilitar a compreensão e a aprendizagem ao longo do curso. 3.1. Ângulos e Arcos Ângulo é o espaço contido entre dois segmentos de reta orientados (ou duas semirretas orientadas) a partir de um ponto comum. O Grau A unidade de medida grau, denotada por 1°, é definida como o arco equivalente a 1 360 da circunferência, isto é, em uma circunferência cabem 360°. Usualmente o grau é subdividido utilizando o sistema sexagesimal, assim, o grau é dividido em sessenta (60) partes chamadas minutos, denotados por ('). 1° = 60′ Os minutos também são divididos em sessenta partes chamadas de segundos, denotados por ("). 1′ = 60′′ No entanto, um ângulo também pode ser expresso usando o sistema decimal. Desta forma um ângulo pode ter uma medida de 35,75 graus. Isto é, o tamanho do ângulo, neste caso, seria de trinta e cinco graus completos mais setenta e cinco centésimos de grau. Conversão entre os sistemas Sexagesimal e o Decimal Na existência de dois sistemas de representação, é importante saber como trabalhar com ambos e, caso necessário, converter de um sistema para o outro. De Sexagesimal para Decimal Como poderia ser indicado o ângulo 40°20′50′′usando a notação decimal comum? Neste caso, tem-se 40 graus completos, 20 minutos (cada minuto equivale à 1 60 de um grau), e 50 segundos (cada segundo equivale à 1 60 de minuto, ou ainda, cada segundo equivale à 1 60 de 1 60 de um grau). Ou seja: 40°20′50′′ = 40 + (20 ∙ 1 60 ) + (50 ∙ 1 60 ∙ 1 60 ) = 40,347222 ⋯ De Decimal para Sexagesimal Suponha que comecemos com 40,34722 graus decimais. Como expressar em unidades de graus, minutos e segundos? Em primeiro lugar, observe que há 40 graus completos. Isso deixa 0,34722 graus. Então, 0,34722 graus correspondem a quantos minutos? CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 18 Bem, sabemos que 1° = 60′, então basta multiplicar 0,34722 por 60. Ou seja, 1° = 60′ 0,34722° = 𝓍′ 𝓍 = 20,83320 Então, há 20 minutos completos, com 0,83320 de um minuto sobrando. Da mesma forma, 0,83320 minutos correspondem a quantos segundos? Bem, sabemos que 1′ = 60′′, então basta multiplicar 0,83320 por 60. Assim temos, 1′ = 60′′ 0,83320′ = y′′ y = 49,99200 O resultado é 49,99200 ou quase 50 segundos. Então, conclui-se que 40,34722 graus é aproximadamente igual a 40°20′50′′. OBSERVAÇÃO A razão pela qual não se obteve 50 segundos é que foi utilizado um ângulo ligeiramente menor na explicação deste cálculo. No ângulo original, têm-se 40,3472222222... graus, o último dígito repete infinitamente, assim, o ângulo original é um pouco maior que 40,34722. Por isso, neste curso recomenda-se que seja utilizado no mínimo 5 casas decimais depois da vírgula! O Grado Grado é uma unidade de medida de ângulos planos equivalente a 𝜋 200 radianos ou 0,9 graus. O símbolo internacional para esta unidade é "gon". Outros símbolos usados no passado incluíam "gr", "grd", e "g". O termo "grado" tem origem no francês, grade, e foi proposto junto com o sistema métrico, embora não faça parte do sistema internacional de unidades. A unidade para ângulos planos no sistema internacional é o radiano. Uma vantagem desta unidade é que ângulos retos são fáceis de somar e subtrair na aritmética mental. Uma desvantagem é que os ângulos comuns de 30° e 60° têm valores fracionários em grados, 33,333...gon e 66,666...gon, respectivamente, dificultando as operações trigonométricas. CURIOSIDADE A definição original do metro, de 1889, estabelecia que 1 metro era o comprimento equivalente a décima milionésima parte de um quarto do meridiano terrestre. Portanto, 1 grado em longitude ou latitude (ou em relação a qualquer círculo máximo terrestre) equivale a aproximadamente 100 km sobre a superfície da Terra. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 19 O Radiano Define-se 1 radiano como o arco cujo comprimento é igual ao raio da circunferência onde tal arco foi determinado. Conversão de Radianos para Graus Existem 2𝜋 radianos em um círculo completo, portanto, 2𝜋 𝑟𝑎𝑑 = 360°. Mais genericamente, podemos dizer: 𝑥 𝑟𝑎𝑑 = 𝑥 ∙ 180° 𝜋 3.2. Triângulos Trigonometria Básica no Triângulo Retângulo Num triângulo retângulo, os lados perpendiculares (aqueles que formam um ângulo de 90°), são denominados catetos e o lado oposto ao ângulo de 90° recebe o nome de hipotenusa. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 20 O Teorema de Pitágoras é aplicado ao triângulo retângulo e diz que: hipotenusa ao quadrado é igual à soma do quadrado dos catetos. Teorema de Pitágoras - 𝑎2 = 𝑏2 + 𝑐2 Relações Trigonométricas no Triângulo Retângulo Tomando por referência o triângulo acima, tem-se que o seno de um ângulo α em um triângulo retângulo é definido por: 𝑠𝑒𝑛𝑜 𝛼 = 𝑐𝑎𝑡𝑒𝑡𝑜 𝑜𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜 ℎ𝑖𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑢𝑠𝑎 = 𝑐 𝑎 Por sua vez, o cosseno de um ângulo α em um triângulo retângulo é definido por: 𝑐𝑜𝑠𝑠𝑒𝑛𝑜 𝛼 = 𝑐𝑎𝑡𝑒𝑡𝑜 𝑎𝑑𝑗𝑎𝑐𝑒𝑛𝑡𝑒 ℎ𝑖𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑢𝑠𝑎 = 𝑏 𝑎 E a tangente de um ângulo α em um triângulo retângulo é definido por: 𝑡𝑎𝑛𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒 𝛼 = 𝑐𝑎𝑡𝑒𝑡𝑜 𝑜𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑐𝑎𝑡𝑒𝑡𝑜 𝑎𝑑𝑗𝑎𝑐𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑐 𝑏 Relações Trigonométricas em um Triângulo Qualquer Dada a figura abaixo, temos as seguintes relações: Lei dos senos Se os lados de um triângulo tiverem comprimentos a, b e c e se α for o ângulo entre os lados b e c, β entre os lados c e a, γ entre os lados a e b então vale a relação: 𝑎 sin 𝛼 = 𝑏 sin 𝛽 = 𝑐 sin 𝛾 Usa-se a lei dos senos quando são conhecidos dois ângulos e um lado ou dois lados e um ângulo. Lei dos cossenos Ainda em relação ao triangulo da figura acima, valem as relações: 𝑐2 = 𝑎2 + 𝑏2 − 2 ∙ 𝑎 ∙ 𝑏 ∙ cos 𝛾 𝑏2 = 𝑎2 + 𝑐2 − 2 ∙ 𝑎 ∙ 𝑐 ∙ cos 𝛽 𝑎2 = 𝑐2 + 𝑏2 − 2 ∙ 𝑐 ∙ 𝑏 ∙ cos 𝛼 Usa-se a lei dos cossenos quando são conhecidos dois lados e o ângulo formado por eles . OBSERVAÇÃO É importante lembrar que as funções trigonométricas são adimensionais, ou seja, para qualquer unidade que esteja sendo utilizadas, elas sempre se simplificarão. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 21 Exercícios 7) Um observador na margem de um rio vê o topo de uma torre na outra margem segundo um ângulo de 56° 00’00”. Afastando-se de 20,00 m, o mesmo observador vê a mesma torre segundo um ângulo de 35°00’00”. Calcule a largura “d” do rio. 8) Para determinar a largura de um rio, um topógrafo mediu a partir de uma base de 20,00m (a + b) de comprimento os ângulos A e B, conforme figura. Calcule valorde h. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 22 9) Sabendo que a haste tem 4m de altura, determine a altura da colina. 10) Calcule a altura do prédio. 11) Estando a 20m de um edifício, enxergo seu topo conforme um ângulo de 75°. Sabendo que minha altura é de 1,70m, calcule a altura do edifício. 12) A que altura de uma parede uma escada de 12m se apoia, se a escada e a parede formam um ângulo de 32°? 13) Um topógrafo quer determinar a largura de um rio. Para isso localiza um ponto fixo do outro lado do rio(uma árvore), perpendicular ao ponto em que está. Neste ponto fixa uma marco e caminha pela margem, em um ângulo reto com a linha imaginária traçada da árvore ao marco colocado. Depois de 100m ele pára, olha a árvore e vê que formou com seu trajeto um ângulo de 34°. Qual a largura do rio? (Faça o desenho) CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 23 3.3. Retas e Ângulos Ângulos formados por duas retas paralelas com uma transversal Retas paralelas são retas que estão no mesmo plano e não possuem ponto em comum. Observando a figura acima podemos definir o seguinte: Ângulos colaterais internos A soma dos ângulos colaterais internos é igual a 180°. Ângulos colaterais externos A soma dos ângulos colaterais externos é igual a 180°. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 24 Ângulos alternos internos Os ângulos alternos internos são congruentes (iguais). Ângulos alternos externos Os ângulos alternos externos são congruentes (iguais). Ângulos correspondentes São ângulos que ocupam uma mesma posição na reta transversal, um na região interna e o outro na região externa. Ângulos correspondentes são congruentes (iguais). Ângulos opostos pelo vértice Ângulos opostos pelo vértice são congruentes (iguais). CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 25 Exercícios 14) Sendo as retas r e s paralelas, determine x 15) Determine x CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 26 16) Determine x e 𝑦 nos triângulos retângulos. 17) Determine x CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 27 3.4. Geometria Plana Áreas Quadrado Triângulo 𝐴 = 𝑙2 𝐴 = 𝐵 ∙ ℎ 2 Retângulo Trapézio 𝐴 = 𝑎 ∙ 𝑏 𝐴 = 𝐵 + 𝑏 2 ∙ ℎ Losango Círculo 𝐴 = 𝐷 ∙ 𝑑 2 𝐴 = 𝜋 ∙ 𝑟2 Paralelogramo Polígono Regular 𝐴 = 𝐵 ∙ ℎ 𝐴 = 𝑃 ∙ 𝑎 2 𝑃 = 𝑝𝑒𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 28 Exercícios 18) Calcule as áreas das figuras 19) Calcule as áreas sombreadas das figuras CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 29 Ângulos em um polígono Soma dos ângulos internos de qualquer polígono A soma dos ângulos internos de qualquer polígono depende do número de lados, sendo usada a seguinte expressão para o cálculo: 𝑆 = (𝑛 – 2) ∙ 180 Onde 𝑛 o número de lados. Soma dos ângulos externos de qualquer polígono A soma dos ângulos externos de qualquer polígono depende do número de lados, sendo usada a seguinte expressão para o cálculo: 𝑆 = (𝑛 + 2) ∙ 180 Onde 𝑛 o número de lados. OBSERVAÇÃO Não confundir as equações da soma dos ângulos internos com os externos! Dica: Para você não esquecer qual é qual, faça o teste com o triangulo, onde 𝑛 = 3 e 𝑆 = 180° CURIOSIDADE Os polígonos recebem seus nomes de acordo com seu número de lados. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 30 Exercícios 20) Qual é a soma dos ângulos internos de um heptágono regular? 21) Qual a soma dos ângulos internos de um icoságono (20 lados)? 22) Quantos lados possui um polígono cuja soma dos ângulos internos é igual a 2340°? 23) Qual é a soma dos ângulos internos de um dodecágono regular? 24) Quanto mede o ângulo externo do hexágono? Plano Cartesiano O plano cartesiano foi desenvolvido por Descartes no intuito de localizar pontos num determinado espaço. É composto por duas retas perpendiculares e orientadas, uma horizontal e outra vertical. Dá-se o nome de eixo 𝑥 ou eixo das abscissas à reta horizontal. À vertical denominamos de eixo 𝑦 ou eixo das ordenadas. No plano cartesiano, qualquer ponto possui uma coordenada de localização, basta identificar o ponto e observar os valores primeiramente em relação ao eixo horizontal x e posteriormente em relação ao eixo vertical y. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 31 Distância entre dois pontos No sistema de coordenadas cartesiano podemos demarcar dois pontos e determinar a distância entre eles. Observe a figura acima. O triângulo formado é um triângulo retângulo de catetos AC e BC e hipotenusa AB. Se aplicarmos o Teorema de Pitágoras nesse triângulo, determinando a medida da hipotenusa, estaremos também calculando a distância entre os pontos A e B. Assim, aplicando o teorema, temos a expressão matemática responsável pela determinação da distância entre dois pontos em função de suas coordenadas. 𝐷𝐴𝐵 = √(𝑥2 − 𝑥1) 2 + (𝑦2 − 𝑦1) 2 Exercícios 25) Qual a distância do ponto A ( -1, 2 ) ao ponto B ( 2, 6 )? 26) Qual a distância do ponto A ( a, a ) ao ponto B ( 6 a, 13 a )? 27) Qual o valor de y, para qual e distância do ponto A ( 1, 0 ) ao ponto B ( 5, y ) seja 5? 28) Num sistema cartesiano, os pontos A ( -2 , -3 ) e C ( 5 , 4 ) são vértices de um quadrado ABCD a) Determine as coordenadas dos outros dois vértices ( B e D ) b) Calcule o perímetro do quadrado ABCD c) Calcule a área do quadrado ABCD CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 32 29) Dadas as coordenadas X1=35,5 , Y1=25,25; X2=100,65 , Y2=11,5; X3=33,45 , Y3=82,25, determine o comprimento dos lados e os ângulos internos desse triângulo. Ponto médio de um segmento no plano O ponto que divide um segmento de reta em duas partes de mesmo tamanho é chamado de ponto médio. Assim, o ponto médio possui as coordenadas conforme a figura abaixo. Exercícios 30) Determine as coordenadas do ponto médio do segmento AB de extremos A(2,9) e B(7,3). 31) O ponto médio do segmento PQ tem coordenadas M(6,6). Sabendo que o ponto P tem coordenadas P(2, 4), quais são as coordenadas do ponto Q? CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 33 CURIOSIDADE Aprenda a usar sua Calculadora! CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 34 4. Escalas Escala é relação entre as dimensões de um desenho e o objeto por ele representado. Podem ser de ampliação ou redução. Para cada tipo de aplicação em engenharia, uma determinada escala se mostra mais conveniente que outra, contudo a escolha da escala dependerá da forma de apresentação do desenho ou projeto e a área a ser representada. Assim, como orientação, a tabela mostra as escalas usuais para as aplicações mais corriqueiras em engenharia. Tabela 1 - Escalas Usuais Aplicação Escala Detalhes de terrenos urbanos 1:50 Planta de pequenos lotes e edifícios 1:100 e 1:200 Planta de arruamentos e loteamentos urbanos 1:500 e 1:1.000 Planta de propriedades rurais 1:1.000, 1:2.000 e 1:5.000 Planta cadastral de cidades e grandes propriedades rurais ou industriais 1:5.000, 1:10.000 e 1:25.000 Cartas de municípios 1:50.000 e 1:100.000 Mapas de estados, países, continentes etc. 1:200.000 a 1:10.000.000 4.1. Definição de Escala A escala de um desenho é definida pela seguinte relação: 𝐸 = 𝑑 𝐷 = 1 𝑀 Em que: 𝐷 = Representa qualquer comprimento linear real, medido sobre o terreno. 𝑑 = Representa um comprimento linear gráfico qualquer, medido sobre o papel, e que é correspondente ao comprimento medido sobre o terreno. 𝑀 = É denominadomódulo da escala e representa o inverso de 𝑑 𝐷 . IMPORTANTE Escalas são classificadas em maiores ou menores. Essa relação só pode ser definida através da comparação entre duas escalas. Uma escala é maior quando o denominador é menor em relação ao denominador de outra escala. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 35 EXEMPLO Imagine um simples terreno de 10𝑚 𝑥 20𝑚; teríamos que ter, no mínimo, 20 𝑚² de papel para representa-lo. Ou seja, inviável! Portanto, para desenhar, devemos utilizar as escalas. Vamos adotar o papel no formato A4, que tem dimensões de 210𝑚𝑚 de largura por 297𝑚𝑚 de altura. Determine uma escala que seja adequada à representação desse terreno util izando a folha A4. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 36 Exercícios 32) Qual das escalas é maior 1:1. 000.000 ou 1:1.000? 33) Qual das escalas é menor 1:10 ou 1:1.000? 34) Determinar o comprimento de um rio onde a escala do desenho é de 1:18.000 e o rio foi representado por uma linha com 17,5 cm de comprimento. 𝐸 = 1: 18.000 𝑑 = 17,5 𝑐𝑚 35) Determinar qual a escala de uma carta sabendo que distâncias homólogas na carta e no terreno são, respectivamente, 225 mm e 4,5 km. 36) Com qual comprimento uma estrada de 2500 m será representada na escala 1:10.000? 37) Um lote urbano tem a forma de um retângulo, sendo que o seu comprimento é duas vezes maior que a sua altura e sua área é de 16.722,54 m². Calcular os comprimentos dos lados se esta área fosse representada na escala 1:10.560. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 37 38) Calcular o comprimento no desenho de uma rua com 30 m de comprimento nas escalas abaixo. Escala Comprimento 1:100 1:200 1:250 1:500 1:1.000 39) As dimensões de um terreno foram medidas em uma carta e os valores obtidos foram: 250mm de comprimento por 175mm de largura. Sabendo-se que a escala do desenho é de 1:2000, qual é a área do terreno em m² ? 40) Se a avaliação de uma área na planta resultou em 2575 cm² para uma escala de 1:500, a quantos metros quadrados corresponderá a área no terreno? CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 38 5. Rumos e Azimutes Rumo Rumo é o ângulo formado entre o alinhamento Norte/Sul e a direção considerada, no sentido horário ou anti-horário. Varia de 0° a 90°, sendo contado do Norte ou Sul, a Leste ou Oeste. Figura 17 - Exemplo de indicações de RUMOS Azimute Azimute de uma direção é o ângulo formado entre o alinhamento Norte-Sul e a direção considerada. É medido a partir do Norte ou do Sul, no sentido horário ou anti-horário e varia de 0° a 360°. Figura 18 - Exemplo de indicações de AZIMUTES IMPORTANTE No hemisfério sul, usa-se sempre medir o azimute a partir do norte, sendo ainda mais comum no sentido horário, ou seja, à direita. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 39 Conversão de Azimute para Rumo Figura 19 - Conversão de Azimute para Rumo Primeiro Quadrante 𝑅1 = 𝐴𝑧1 Segundo Quadrante 𝑅2 = 180° − 𝐴𝑧2 Terceiro Quadrante 𝑅3 = 𝐴𝑧3 − 180° Quarto Quadrante 𝑅4 = 360° − 𝐴𝑧4 Conversão de Rumo para Azimute Figura 20 - Conversão de Rumo para Azimute Primeiro Quadrante - NE 𝐴𝑧1 = 𝑅1 Segundo Quadrante - SE 𝐴𝑧2 = 180° − 𝑅2 Terceiro Quadrante - SW 𝐴𝑧3 = 180° + 𝑅3 Quarto Quadrante - NW 𝐴𝑧4 = 360° − 𝑅4 CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 40 Exercícios 41) Transforme os Rumos em Azimutes. Alinhamento Rumo Azimute 1-2 40°20’NW 2-3 0°50’SW 3-4 60°40’SE 4-5 10°30’SE 5-6 70°10’NE 6-7 50°40’NE 7-8 20°50’NW 42) Transforme os Azimutes em Rumos. Alinhamento Azimute Rumo 1-2 300°20’ 2-3 190°40’ 3-4 90°50’ 4-5 170°10’ 5-6 100°30’ 6-7 30°10’ 7-8 350°00’ 43) Dados os rumos a vante dos alinhamentos, encontre os azimutes de acordo com a tabela. Alinhamento Rumos Azimutes Alinhamento Azimutes A-B 31°00’NW B-A B-C 12°50’SW C-B C-D 0°15’SE D-C D-E 88°50’NE E-D E-F 0°10’NE F-E CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 41 44) O azimute do alinhamento CD é 203°16’12” e o rumo do alinhamento ED é de 43°43’12”SE. Calcule o ângulo CD̂E, medido no sentido horário. 45) O rumo do alinhamento 6-7 é 81°02’24”SW, o rumo do alinhamento 7-8 é 82°13’12”NW. Calcular o ângulo 678 no sentido horário na estaca 7. 46) De acordo com a figura abaixo, considerando que são 18 horas, se a bola for chutada do centro em direção aos pontos A, B e C respectivamente, determine o que se pede. PS: O sol se põe na direção oeste. B C A 20° Determine o rumo e o azimute de cada um dos três segmentos. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 42 47) Dadas as coordenadas de três vértices de um polígono (X1=35,50; Y1=25,25) (X2=100,65; Y2=11,5 (X3=33,45; Y3=82,25). O limite quadriculado abaixo deverá ser usado para posicionar os pontos no sistema de coordenadas Calcule: a. O comprimento dos alinhamentos 12, 23 e 31. b. O rumo e o azimute dos alinhamentos 12, 23, 31, 32, 21 e 13. c. O valor dos ângulos internos do polígono. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 43 6. Levantamento planimétrico Durante um levantamento topográfico, normalmente são determinados pontos de apoio ao levantamento (pontos planimétricos, altimétricos ou planialtimétricos), e a partir destes, são levantados os demais pontos que permitem representar a área cadastrada. A primeira etapa pode ser chamada de estabelecimento do apoio topográfico e a segunda de levantamento de detalhes. De acordo com a ABNT NBR 13133:1994 os pontos de apoio são definidos por: “pontos, convenientemente distribuídos, que amarram ao terreno o levantamento topográfico e, por isso, devem ser materializados por estacas, piquetes, marcos de concreto, pinos de metal ou tinta, dependendo da sua importância e permanência”. Figura 21 – Exemplos de Pontos de Apoio Topográfico Já o levantamento de detalhes é definido na ABNT NBR 13133:1994 como: “conjunto de operações topográficas clássicas (poligonais, irradiações, interseções ou por ordenadas sobre uma linha-base), destinadas à determinação das posições planimétricas e/ou altimétricas dos pontos, que vão permitir a representação do terreno a ser levantado topograficamente a partir do apoio topográfico. Estas operações podem conduzir, simultaneamente, à obtenção da planimetria e da altimetria, ou então, separadamente, se as condições especiais do terreno ou exigências do levantamento obrigarem à separação”. Dois conceitos importantes na Topografia são os conceitos de estação ré e estação vante. No sentido de caminhamento da poligonal, a estação anterior à estação ocupada denomina-se de estação RÉ e a estação seguinte de VANTE. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 44 Figura 22 - Estação Ré e Vante. Poligonação A poligonação é um dos métodos mais empregados para a determinação de coordenadas de pontos em Topografia, principalmente para a definição de pontos de apoio planimétrico. Uma poligonal consiste em uma série de linhas consecutivas onde são conhecidos os comprimentos e direções, obtidos através de medições em campo. O levantamento de uma poligonal é realizado através do método de caminhamento, percorrendo-se o contorno de um itinerário definido por uma série de pontos, medindo-se todos os ângulos, lados e uma orientação inicial (Figura 23). A partir destes dados e de uma coordenada de partida, é possível calcular as coordenadas de todos os pontos que formam esta poligonal. Figura 23 – Exemplo de Poligonal CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 45 Classificação de poligonais A ABNT NBR 13133:1994 classifica as poligonais em principal,secundária e auxiliar. Poligonal principal: poligonal que determina os pontos de apoio topográfico de primeira ordem; Poligonal secundária: aquela que, apoiada nos vértices da poligonal principal, determina os pontos de apoio topográfico de segunda ordem; Poligonal auxiliar: poligonal que, baseada nos pontos de apoio topográfico planimétrico, tem seus vértices distribuídos na área ou faixa a ser levantada, de tal forma que seja possível coletar, direta ou indiretamente, por irradiação, interseção ou ordenadas sobre uma linha de base, os pontos de detalhes julgados importantes, que devem ser estabelecidos pela escala ou nível de detalhamento do levantamento. Tipos de poligonais As poligonais levantadas em campo poderão ser fechadas, enquadradas ou abertas. Poligonal fechada: parte de um ponto com coordenadas conhecidas e retorna ao mesmo ponto. Sua principal vantagem é permitir a verificação de erro de fechamento angular e linear Figura 24 – Poligonal Fechada Poligonal enquadrada: parte de dois pontos com coordenadas conhecidas e termina em outros dois pontos com coordenadas conhecidas. Permite a verificação do erro de fechamento angular e linear. Figura 25 - Poligonal Enquadrada CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 46 Figura 26 - Levantamento de uma poligonal enquadrada em campo Poligonal aberta: parte de um ponto com coordenadas conhecidas e acaba em um ponto cujas coordenadas deseja-se determinar. Não é possível determinar erros de fechamento, portanto deve-se tomar todos os cuidados necessários durante o levantamento de campo para evitá-los. Figura 27 - Poligonal Aberta CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 47 Figura 28 – Tipos de Poligonais Levantamento da poligonal Os elementos necessários para a definição de uma poligonal são os ângulos formados por seus lados e as distâncias entre os vértices desse polígono, ou seja, o próprio lado. A medição destes ângulos pode ser feita utilizando quaisquer técnicas conhecidas. Normalmente são determinados os ângulos externos ou internos da poligonal. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 48 Figura 29 – Ângulos externos e internos de uma poligonal Coleta de ângulos Tomemos por exemplo o sentido de caminhamento horário, neste caso os ângulos determinados são chamados de ângulos horizontais horários (externos) e são obtidos estac ionando-se o equipamento na estação onde serão efetuadas as medições, faz-se a visada na estação de ré e depois, na estação de vante. O ângulo horizontal será dado por: ângulo (∡) = leitura de vante – leitura de ré Figura 30 – Leitura do ângulo horizontal Uma simplificação muito usada em levantamentos é a de zerar o equipamento quando se faz a visada de Ré (Leitura angular de 000’00”). Figura 31 – Simplificação da leitura angular CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 49 Coleta de Distâncias Quando fazemos o cadastramento de uma área e coletamos distâncias, desejamos conhecer a distancia entre o ponto de estação e o local onde se encontra a baliza, podendo ser um ponto de ré, vante ou detalhe. Na coleta da distância entre os pontos A e B, procura-se, na realidade, medir a projeção de AB no plano horizontal, resultando na medição de A’B’. A essa medida chamamos de distância horizontal (Dh ou DH) ou distância reduzida, conforme ilustra a figura abaixo. Figura 32 - Medida de distância horizontal entre dois pontos Os métodos existentes de coletas de distâncias são variados. Pode-se utilizar trenas, taqueometria (medida de distância utilizando os fios estadimétricos do teodolito ou nível), distanciômetros ou ainda, a estação total. Hoje em dia, o método mais comum é a coleta através da estação total. Figura 33 – Exemplo de medida de distância com trena CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 50 Coleta de detalhes A ABNT NBR 13133:1994 define detalhes como “Pontos importantes dos acidentes naturais e/ou artificiais, definidores da forma do detalhe e/ou do relevo, indispensáveis à sua representação gráfica”. Em outras palavras, os detalhes são todos os pontos necessários para representação da área cadastrada. Os detalhes devem ser bem escolhidos, pois um excesso deles pode sobrecarregar o serviço de campo sem acrescentar melhorias significativas ao serviço. Por outro lado, a ausência de detalhes pode prejudicar a qualidade do serviço, não representando fielmente a área cadastrada. Croqui De acordo com a ABNT NBR 13133:1994 o croqui pode ser definido como: “Esboço gráfico sem escala, em breves traços, que facilite a identificação de detalhes”. O croqui representa o local cadastrado, facilitando assim o desenho da planta no momento de sua confecção. Cada ponto cadastrado deve ser representado por uma letra, numero ou ambos. Quando se utiliza uma Estação Total com capacidade de armazenamento de dados, é usual a utilização de números pela facilidade de entrada de dados. Figura 34 – Croqui do levantamento realizado na Av. Cel. Teodolino Pereira de Araújo, Araguari / MG com a representação dos pontos da poligonal e dos detalhes. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 51 O croqui deve ser feito de forma organizada e legível, devendo representar o mais fielmente a área cadastrada, um croqui mal feito pode ser motivo de erros na planta. Coleta de dados em campo De forma sucinta, para a realização do levantamento no campo, seguimos os passos listados abaixo: Inspeção do local para conhecimento da área; Definição das referências, ou seja, determinam-se os pontos de apoio topográfico e os detalhes a serem levantados; Desenho do croqui na caderneta de campo com os pontos a serem levantados; Realização das medições. Instalação do equipamento Para que equipamentos como teodolito, estação total e níveis possam ser utilizados, estes devem estar corretamente “estacionados” sobre um determinado ponto. IMPORTANTE Estacionar um equipamento significa que o mesmo deverá estar nivelado e centrado sobre o ponto topográfico. As medições somente poderão iniciar após estas condições serem verificadas! Com tempo e prática, os profissionais acabam por desenvolver sua própria forma de estacionar o equipamento, contudo, com algumas regras simples, qualquer iniciante pode efetuá-lo de forma rápida e precisa. Sendo assim, são demonstrados a seguir os procedimentos gerais para o estacionamento de quaisquer equipamentos que possuam prumos ópticos ou laser. IMPORTANTE Enquanto os equipamentos não estiverem sendo utilizados, evite deixá-los apoiados em pé para que não caiam e sofram alguma avaria. O ideal é deixa-los na caixa até o momento de sua utilização. Instalando o tripé O tripé possui parafusos ou travas que permitem o ajuste das alturas das pernas. Assim, com o tripé fechado, estenda as pernas do tripé até a altura do ombro, em seguida aperte as travas/parafusos de extensão e, finalmente, fixe-o adequadamente no piso/solo, próximo do marco topográfico. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 52 Figura 35 – Tripé e suas partes constituintes Para estacionar o equipamento sobre um determinado ponto topográfico, o primeiro passo é instalar o tripé sobre o ponto de modo a deixar a sua base o mais próximo da horizontal. É fundamental cravar bem as pontas das pernas do tripé para evitar que o mesmo se mova posteriormente durante as medições Figura 36 – Posicionar e cravar o tripé CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 53 IMPORTANTE Para facilitar a posterior instalação do equipamento a base (ou prato) do tripé deve estar o mais horizontal possível Figura 37 – Ajuste da base do tripé Em seguida, retire com cuidado o equipamento de seu estojo e coloque-o sobre o tripé, fixando- o com o parafuso de fixação central. Figura 38 – Instalação do equipamento no tripéFIQUE ATENTO! Enquanto o equipamento não estiver preso ao tripé, deve-se sempre segurá-lo com uma das mãos para evitar que caia. Após retirar o equipamento, é importante deixar o estojo fechado em campo para evitar problemas com umidade e sujeira, além de dificultar a perda de acessórios que ficam guardados no estojo. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 54 Centragem e nivelamento Após o equipamento estar fixo sobre o tripé é necessário realizar a centragem e o nivelamento. Posicione o conjunto tripé/instrumento de modo a deixar o eixo principal (vertical) sobre o marco topográfico, em uma primeira aproximação. Utilize o fio de prumo, prumo ótico ou prumo laser para garantir esse posicionamento. Figura 39 - Eixo principal do equipamento passando pelo ponto O nivelamento pode ser dividido em duas etapas, uma inicial ou grosseira, utilizando-se o nível esférico, que em alguns equipamentos está associado à base, e a outra de precisão ou "fina", utilizando-se níveis tubulares, ou mais recentemente, níveis digitais. Figura 40 – Níveis esférico, tubular e digital. Assim, para fazer o nivelamento grosseiro, movimente a extensão das pernas do tripé até calar a bolha do nível esférico. Certifique-se que o instrumento esteja nivelado para qualquer posição e que o eixo principal esteja posicionado sobre o marco topográfico CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 55 Figura 41 - Ajuste do nível de bolha utilizando os movimentos de extensão do tripé. Em seguida, o nivelamento de precisão é realizado com auxílio dos parafusos calantes e níveis tubulares ou os digitais. Inicialmente coloque o nível tubular paralelo aos parafusos calantes A e B. Em seguida, gire o instrumento 90° e efetue a calagem do nível tubular movimentando apenas o parafuso calante C. Figura 42 – Calagem do nível tubular CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 56 Para equipamentos com níveis digitais não é necessário rotacionar o equipamento, basta atuar diretamente no parafuso C. Figura 43 – Exemplo de calagem de equipamento com nível digital. Repete-se o procedimento até que, ao girar o equipamento, este esteja sempre calado em qualquer posição. Ao terminar este procedimento, verifica-se a posição do prumo. Caso não esteja sobre o ponto, deve-se afrouxar o parafuso de fixação do equipamento e deslocar a base com cuidado até que o prumo esteja coincidindo com o ponto. Feito isto, deve-se verificar se o instrumento ainda está calado, caso contrário, realiza-se novamente o nivelamento fino. Este procedimento deve ser repetido até que o equipamento esteja perfeitamente calado e centrado. Ao final desta etapa, o equipamento estará pronto para a realização das medições. As etapas para instalação do equipamento podem ser resumidas em: Posicionar o tripé sobre o ponto tomando o cuidado de deixar o prato o mais horizontal possível sendo possível enxergar o ponto através do orifício existente na base do tripé; Fixar o equipamento sobre o tripé; Nivelar a bolha esférica com o auxílio do movimento de extensão das pernas do tripé; Realizar o nivelamento fino utilizando o nível tubular ou digital; Verificar se o prumo sai do ponto. Caso isto ocorra, soltar o equipamento e deslocar o mesmo até que o prumo esteja posicionado sobre o ponto; Repetir os dois últimos procedimentos até que o equipamento esteja perfeitamente nivelado e centrado. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 57 Cuidados Ao transportar o equipamento para o campo, certifique-se de carregar o instrumento em seu estojo, ou para distâncias pequenas, carregar o tripé com as pernas abertas sobre os ombros, mantendo o equipamento na posição vertical. Figura 44 - Cuidados no transporte Nunca transporte o instrumento solto dentro de veículos. O instrumento pode ser danificado por choques e vibrações. Ele deve ser acondicionado e transportado sempre no seu estojo. Organização dos dados de campo É comum organizarmos os dados em uma tabela onde são registrados os dados coletados em campo para, posteriormente, serem efetuados os demais cálculos. Os campos usuais desta tabela são : Est PV ∢h orizontal ∢vertical FS FM FI Dist. MP 01 0°00’00” 0°25’30” 440 300 160 - MP 02 174°03’20” - - - - 63,978 Onde Est: é a estação (ponto) no qual o equipamento encontra-se estacionado; PV: é o ponto visado a partir da estação; ∢horizontal: é o ângulo horizontal lido no equipamento; ∢v ertical: é o ângulo vertical lido no equipamento; FS: é o fio superior lido na mira; FM: é o fio médio lido na mira; FI: é o fio inferior lido na mira; Dist.: é a distância horizontal coletada entre a estação e o ponto visado. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 58 A seguir, a Figura 45 mostra uma tabela de coleta preenchida e calculada. Figura 45 – Exemplo de Tabela de Dados Calculada. Em vermelho, dados da poligonal e em preto, dados dos detalhes Procedimento pós-levantamento Para completar o levantamento realizado em campo, o profissional de topografia deverá realizar o Cálculo da Poligonal levantada. Este será o tema do próximo capítulo. A sequência de cálculo e ajuste de uma poligonal fechada pode ser resumida em: Determinação das coordenadas do ponto de partida; Determinação da orientação da poligonal; Cálculo do erro de fechamento angular pelo somatório dos ângulos internos ou externos (em função do sentido horário ou anti-horário); Avaliação do erro angular em relação à tolerância angular; Distribuição do erro de fechamento angular; Cálculo dos Azimutes; Cálculo das coordenadas parciais (ΔX, ΔY) ou (ΔE, ΔN); Cálculo do erro de fechamento linear; Avaliação do erro linear em relação à tolerância linear; Distribuição do erro de fechamento linear; Cálculo das coordenadas definitivas (X, Y) ou (E, N). Desenho e finalização da planta. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 59 Exercícios 48) Leia o parágrafo abaixo e em seguida responda às questões que seguem: “Durante um levantamento topográfico, normalmente são determinados pontos de apoio ao levantamento (pontos planimétricos, altimétricos ou planialtimétricos), e a partir destes, são levantados os demais pontos que permitem representar a área cadastrada. A primeira etapa pode ser chamada de estabelecimento do apoio topográfico e a segunda de levantamento de detalhes.” Com suas palavras defina pontos de apoio topográfico e pontos de detalhes. 49) De acordo com a figura abaixo, responda as questões: a. Dado o sentido de caminhamento, marque na figura os ângulos que serão coletados, indique o sentido. b. Numere os vértices na figura acima e complete a tabela. Estação Visada de Ré Visada de Vante CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 60 50) Relacione cada uma das poligonais da figura abaixo, poligonais 1, 2 e 3, aos tipos de poligonal (Poligonal Fechada, Poligonal Aberta e Poligonal Enquadrada) em seguida, com s uas palavras, defina cada uma delas. O que as diferencia? 51) Descreva o procedimento usado para o cadastramento de uma área levando em consideração seus conhecimentos em topografia. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 61 52) Discorra sobre os dados que são anotados na caderneta de campo, quais são esses dados e como serão usados depois? 53) Um cliente procurou você para que efetuasse o cadastramento de uma área que ele possui. A área está situada em área urbana e possui cerca de 10.000m². Utilizando equipamentos topográficos, descreva como você faria esse cadastramento (etapas a serem realizadas em campo). CURSO DE ENGENHARIA CIVILTopografia I 62 7. Estadimetria Uma distância é medida de maneira indireta, quando no campo são observadas outras grandezas (no nosso caso ângulos) e através delas podemos calcular a distância desejada. Sendo assim, são necessários alguns cálculos sobre as medidas efetuadas em campo, para se obter indiretamente o valor da distância. Esse procedimento é chamado de Taqueometria ou Estadimetria. Estádias, ou miras estadimétricas são as réguas graduadas centimetricamente que conhecemos simplesmente por Miras. Na estádia são efetuadas as leituras dos fios estadimétricos (superior, inferior e médio). Por sua vez, os fios estadimétricos são as marcações encontradas no retículo dos equipamentos (teodolito, nível, estação total). Figura 46 – Exemplo de Estádia (ou Mira) e dos fios estadimétricos 7.1. A Mira Conforme mencionado acima, Miras nada mais são do que réguas graduadas. Existem no mercado diversos modelos de miras, geralmente com comprimento entre 2 e 4 m. Possuem articulação do tipo telescópica ou dobradiça. Quanto ao material de fabricação, as miras podem ser de madeira, fibra de vidro, alumínio ou ínvar. IMPORTANTE Durante a leitura em uma mira convencional devem ser lidos quatro algarismos que corresponderão aos valores do metro, decímetro, centímetro e milímetro, sendo que este último é obtido por uma estimativa e os demais por leitura direta dos valores indicados na mira. Para evitar erros, a leitura deve ser verificada da seguinte forma: O fio inferior mais o superior dividido por dois, deve ser igual ao valor lido do fio médio. A tolerância é de ± 2,0𝑚𝑚. 𝐹𝐼 + 𝐹𝑆 2 = 𝐹𝑀; 𝐸𝑟𝑟𝑜 ≤ ± 2,0𝑚𝑚 CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 63 Figura 47 – Exemplos de leitura na Mira Determinação das distâncias (Taqueometria ou Estadimetria) As observações em campo são realizadas com o auxílio, ou de teodolitos ou de níveis. Devido a sua forma construtiva, com o nível só é possível efetuar visadas horizontais (lembre-se que o nível não tem variação angular vertical). Já com o teodolito, é possível realizar visadas inclinadas, e o equipamento nos fornece o ângulo vertical ou o ângulo zenital (varia de acordo com o fabricante e o modelo do equipamento). Figura 48 – Nível e Teodolito A seguir são apresentadas as formulações para cada tipo de visada mencionada. CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 64 Visada Horizontal Com os fios estadimétricos da luneta é possível efetuar leituras sobre uma mira graduada e relacioná-las com os valores constantes do instrumento. Mediante as considerações geométricas determina-se com facilidade a distância horizontal aparelho-mira. Na Figura 49, Ln é a luneta; 𝒅 é a distância entre os planos dos fios do retículo e o foco 𝑭 da objetiva; 𝒈 é a distância vertical entre os fios estadimétricos; 𝑫𝒉 é a distância aparelho-mira; 𝐴𝐵 = 𝐺 é o número gerador obtido através da diferença de leituras sobre a mira dos fios superior 𝐹𝑆 e inferior 𝐹𝐼. Figura 49 - Determinação da distância com visadas horizontal Da semelhança entre os triângulos 𝑎𝑏𝐹 e 𝐴𝐵𝐹, extrai-se a seguinte relação: 𝐷ℎ 𝑑 = 𝐴𝐵 𝑎𝑏 Conforme dito acima, 𝐴𝐵 = 𝐺 = 𝐹𝑆 − 𝐹𝐼 𝑎𝑏 = 𝑔 Substituindo na primeira equação, pode-se escrever: 𝐷ℎ 𝑑 = 𝐺 𝑔 ⇒ 𝐷ℎ = 𝑑 𝑔 ∙ 𝐺 Os valores 𝒅 e 𝒈 são invariáveis, isto é, são constantes para cada instrumento. Logo, a relação 𝑑 𝑔 = 𝑘, é conhecida como a constante estadimétrica do instrumento. Para facilidade de operação, os fabricantes costumam fazer 𝑘 = 100. Assim, a determinação da distância 𝑫𝒉 depende única e exclusivamente do número gerador 𝐺 que, como já se sabe, é obtido pela diferença de leituras sobre a mira, dos fios estadimétricos superior e inferior. Com isso, a equação anterior apresenta-se da seguinte forma: 𝐷ℎ = 𝑘 ∙ 𝐺 CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 65 ATENÇÃO! A fórmula 𝑫𝒉 = 𝒌 ∙ 𝑮 é válida SOMENTE para medidas efetuadas com NÍVEIS ou teodolitos com a luneta a 90°! (Visadas HORIZONTAIS) Visada Inclinada Na dedução da fórmula para o cálculo da distância utilizando uma visada inclinada, tome por base a figura a seguir. Figura 50 - Determinação da distância com visadas inclinadas Adotaremos as seguintes convenções: Ângulo Zenital: 𝑍; Ângulo Vertical: 𝑉; Distância Horizontal: 𝐷ℎ; Distância Inclinada: 𝐷𝑖; Número Gerador da Mira Real: 𝑮 (𝐺 = 𝐿𝑒𝑖𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝐵 − 𝐿𝑒𝑖𝑡𝑢𝑟𝑎 𝐼𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝐴); Número Gerador da Mira Fictícia: 𝑮′ (𝐺′ = 𝐿𝑒𝑖𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝐵′ − 𝐿𝑒𝑖𝑡𝑢𝑟𝑎 𝐼𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝐴′). Sabemos que o seno de um ângulo é dado por: 𝑠𝑒𝑛 𝜃 = 𝑐𝑎𝑡𝑒𝑡𝑜 𝑜𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜 ℎ𝑖𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑢𝑠𝑎 Da Figura 50 obtém-se: 𝑠𝑒𝑛 𝑍 = 𝐺’ 2 𝐺 2 = 𝐺′ 𝐺 ⇒ 𝐺’ = 𝐺 ∙ 𝑠𝑒𝑛 𝑍 CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 66 𝑠𝑒𝑛 𝑍 = 𝐷ℎ 𝐷𝑖 ⇒ 𝐷ℎ = 𝐷𝑖 ∙ 𝑠𝑒𝑛 𝑍 Sabendo-se que para obter a distância utiliza-se a fórmula: 𝐷𝑖 = 𝐺’ ∙ 𝑘 ⇒ 𝐷𝑖 = 𝐺 ∙ 𝑠𝑒𝑛 𝑍 ∙ 𝑘 Onde 𝑘 é a constante estadimétrica do instrumento, definida pelo fabricante e geralmente igual a 100. Substituindo 𝐷𝑖 em 𝐷ℎ temos 𝐷ℎ = 𝐺 ∙ 𝑠𝑒𝑛 𝑍 ∙ 𝑘 ∙ 𝑠𝑒𝑛 𝑍 ⇒ 𝐷ℎ = 𝐺 ∙ 𝑘 ∙ 𝑠𝑒𝑛2 𝑍 Seguindo o mesmo raciocínio para o ângulo vertical, chega-se a: 𝐷ℎ = 𝐺 ∙ 𝐾 ∙ 𝑐𝑜𝑠2 𝑉 CURIOSIDADE Com as leituras dos fios estadimétricos e com o valor da distância horizontal ou da inclinada, é possível calcularmos o desnível entre dois pontos A e B. 𝛥ℎ𝐴𝐵 : Desnível entre A e B; ℎ𝑖 : Altura do instrumento; ℎ𝑠 : Altura lida (fio médio); 𝐷𝑖 : Distância inclinada; 𝐷ℎ : Distância horizontal; 𝐷𝑉 : Distância vertical; 𝑍 : Ângulo zenital. Observando a figura, pode-se escrever que o desnível 𝛥ℎ𝐴𝐵 será: 𝐷𝑉 + ℎ𝑖 = ℎ𝑠 + 𝛥ℎ𝐴𝐵 ⇒ 𝛥ℎ𝐴𝐵 = ℎ𝑖 − ℎ𝑠 + 𝐷𝑉 Calculando a distância vertical 𝐷𝑉 teremos: 𝑡𝑎𝑛(𝑍) = 𝐷ℎ 𝐷𝑉 ⇒ 𝐷𝑉 = 𝐷ℎ 𝑡𝑎𝑛(𝑍) = 𝐷ℎ ∙ 𝑐𝑜𝑡𝑔(𝑍) ∴ 𝐷𝑉 = 𝐷ℎ ∙ 𝑐𝑜𝑡𝑔(𝑍) Ou então, simplesmente: 𝐷𝑉 = 𝐷𝑖 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑍) Substituindo as equações de 𝐷𝑉 na de 𝛥ℎ𝐴𝐵 obtém-se: 𝛥ℎ𝐴𝐵 = ℎ𝑖 – ℎ𝑠 + 𝐷ℎ 𝑐𝑜𝑡𝑔(𝑍) ou 𝛥ℎ𝐴𝐵 = ℎ𝑖 – ℎ𝑠 + 𝐷𝑖 𝑐𝑜𝑠(𝑍) CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 67 Organização dos dados de campo Para organizarmos os dados de campo, usamos a mesma tabela apresentada no capítulo anterior com algumas alterações para acomodar os novos dados coletados. Os campos usuais desta tabela são : E PV ∢h ∢v FS FM FI Dist. MP 01 0°00’00” - 10°47’20” 495 430 368 12,254 MP 02 174°03’20” 00°39’20” 461 398 335 12,598 Onde E : é a estação (ponto) na qual o equipamento encontra-se estacionado; PV: é o ponto visado a partir da estação; ∢h: é o ângulo horizontal lido no equipamento; ∢v : é o ângulo vertical lido no equipamento; FS é o fio estadimétrico superior; FM é o fio estadimétrico médio; FI é o fio estadimétrico inferior; Dist.: é a distância horizontal coletada entre a estação e o ponto visado. Exercícios 54) Com os elementos dados na planilha abaixo, calcule as distâncias horizontais. Ponto de Estação Ponto Visado Ângulo Vertical Fio Superior Fio Médio Fio Inferior (FS-FI) Ângulo Zenital Distância Horizontal A 1 - 03°16’00” 990 960 920 2 - 10°47’20” 495 430 368 3 00°39’20” 461 398 335 4 00°42’00” 128 119 112 5 - 04°24’40” 880 800 718 6 03°52’10” 1940 1850 1762 CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Topografia I 68 55) Faça a leitura dos fios estadimétricos. a. b. FI:______________________________________ FI:______________________________________ FM:_____________________________________ FM:_____________________________________ FS:______________________________________ FS:______________________________________ VERIFICAÇÃO:_____________________________
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