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Universidade Federal do Rio de Janeiro
DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DE DESEMPENHO HIDRÁULICO DE
ESTACIONAMENTOS COM DRENAGEM CONVENCIONAL E PAVIMENTO
PERMEÁVEL, APOIADO POR MODELAGEM COMPUTACIONAL
Laurent Feu Grancer Silva Oliveira
2018
DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DE DESEMPENHO HIDRÁULICO DE
ESTACIONAMENTOS COM DRENAGEM CONVENCIONAL E PAVIMENTO
PERMEÁVEL, APOIADO POR MODELAGEM COMPUTACIONAL
Laurent Feu Grancer Silva Oliveira
Projeto de Graduação apresentado ao
Curso de Engenharia Civil da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio
de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de
Engenheiro.
Orientadores:
Marcelo Gomes Miguez
Osvaldo Moura Rezende
Rio de Janeiro
March 2018
iv
DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DE DESEMPENHO HIDRÁULICO DE
ESTACIONAMENTOS COM DRENAGEM CONVENCIONAL E PAVIMENTO
PERMEÁVEL, APOIADO POR MODELAGEM COMPUTACIONAL
Laurent Feu Grancer Silva Oliveira
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE
ENGENHARIA CIVIL DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO CIVIL.
Examinada por:
____________________________________________________
Prof. Marcelo Gomes Miguez, D.Sc.
____________________________________________________
Prof. Assed Haddad, D. Sc.
____________________________________________________
Eng. Osvaldo Moura Rezende, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
MARÇO de 2018
v
Oliveira, Laurent Feu Grancer Silva
Dimensionamento e análise de desempenho hidráulico
de estacionamentos com drenagem convencional e pavimento
permeável, apoiado por modelagem computacional / Laurent
Feu Grancer Silva Oliveira. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola
Politécnica, 2018.
xii, 79 p.: il.; 29,7 cm.
Orientadores: Marcelo Gomes Miguez e Osvaldo Moura
Rezende
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/
Curso de Engenharia Civil, 2018.
Referências Bibliográficas: p. 77-79.
1. Drenagem Urbana. 2. Pavimento Permeável. 3.
Modelagem Matemática.
I. Miguez, Marcelo Gomes. II. Universidade Federal
do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia
Civil. III. Título.
vi
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, que fez com que eu chegasse até aqui, a quem
eu recorria a cada dificuldade ou momento de desesperança, a quem eu agradecia a cada
momento bom, que me fez olhar o lado positivo de todos os acontecimentos na minha
vida, que me colocou a prova para moldar meu caráter e me fazer amadurecer, meu porto
seguro em qualquer situação, a quem me faz ter a certeza que toda essa jornada valeu a
pena e que o futuro reserva coisas maravilhosas.
Agradeço à minha família, por me apoiar em toda a minha vida e principalmente
nessa jornada universitária. Minha mãe Eivanildes, por sempre me dar amor e o carinho
necessários para que eu pudesse prosseguir, ao meu saudoso pai Nedson, pelos
ensinamentos da infância que me tornaram o homem que eu sou, ao meu irmão
Dominique, por sempre estar disposto a ser meu amigo e protetor, ao meu sobrinho
Guilherme, por trazer felicidade e leveza ao meu coração e a todos os meus familiares,
pela torcida. Saber que eu podia contar com vocês me deu forças para seguir em frente.
Agradeço a Andressa, por todo o carinho que me dedicou nos últimos anos, por
ser minha confidente, minha companheira, minha melhor amiga, por sempre saber que eu
poderia contar contigo, por ser um exemplo de bondade e perseverança, enfim, por todo
o seu amor.
Agradeço ao meu professor e orientador Marcelo Gomes Miguez, por ser meu
tutor desde o início da minha caminhada, sempre foi uma referência de competência e
profissionalismo. Obrigado por todos os ensinamentos, paciência e dedicação.
vii
Agradeço ao meu orientador Osvaldo Moura Rezende por todo conhecimento
oferecido de maneira clara e paciente e por ser uma referência na minha trajetória
profissional.
Agradeço à equipe do Laboratório de Hidráulica Computacional (LHC),
laboratório que foi como uma segunda casa nos últimos anos, muito obrigado a todos que
passaram por lá e que deixaram os meus dias no Fundão mais iluminados, em especial
Paulo Canedo, Aline Veról, Antônio, Bruna, Lilian, Cícero, Francis, Dearley, Isaac,
Gabrielly, Ianic, Giuliana, Lívia, Anna, Flávia, Marina, Guilherme, Victor, Isadora e
Clara. Cada um de vocês deixaram um pouco de si e espero que levem um pouco de mim.
Agradeço à equipe da Consultoria Ambiental AquaFluxus, em especial ao
Matheus, Luiza, Caroline e Bianca, por fazerem que eu tivesse contato com projetos de
alta complexidade e poder absorver conhecimento de profissionais de alto nível.
Agradeço aos meus mestres, por todo o conhecimento oferecido, por me forçarem
a sair da minha zona de conforto, rever meus conceitos e elevar meu patamar de
conhecimento, me tornando um profissional com brio para confrontar o mercado.
Agradeço aos amigos que compartilharam suas alegrias e tristezas durante essa
jornada, em especial Victor, Raoni, Luís Guilherme, Yuri, Rafael, Felipe, Ana Paula,
Jonas, Fábio, Vinícius, João Paulo, Wallas, Guido, Clarice e o saudoso Gustavo Barud.
Amigos que acompanharam o começo, toda a jornada ou somente o fim. Amigos que
estão aqui para comemorar comigo e aos amigos que se foram e deixaram saudades.
A todos, muito obrigado,
Laurent Feu Grancer Silva Oliveira.
viii
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Civil.
DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DE DESEMPENHO HIDRÁULICO DE
ESTACIONAMENTOS COM DRENAGEM CONVENCIONAL E PAVIMENTO
PERMEÁVEL, APOIADO POR MODELAGEM COMPUTACIONAL
Laurent Feu Grancer Silva Oliveira
Março/2018
Orientadores: Marcelo Gomes Miguez e Osvaldo Moura Rezende.
Curso: Engenharia Civil
As inundações em áreas urbanas entram em conflito direto com o funcionamento
das cidades, causando inúmeros problemas de ordem econômica e social, como danos à
infraestrutura, perdas materiais, interrupção de atividades comerciais, desalojamento de
pessoas e a perda de vidas. Este trabalho visa conjugar a tecnologia dos pavimentos
permeáveis ao uso do solo urbano, reduzindo taxas de impermeabilização. O objetivo é
desenvolver um projeto de drenagem alternativo, considerando o uso conjugado de
pavimentos permeáveis sobre reservatórios de brita, para diminuir volumes e picos de
vazão. O projeto do estacionamento desenvolvido tem como objeto o prédio do CT2, que
fica na Ilha do Fundão, Rio de Janeiro. A metodologia adotada consiste em analisar e
quantificar o impacto no sistema de microdrenagem com a implantação de
estacionamentos construídos com sistema de drenagem convencional em relação a
estacionamentos construídos com pavimentos permeáveis. A análise do comportamento
hidráulico será feita utilizando o software MODCEL. As simulações computacionais
realizadas devem mostrar que a adoção de pavimentos permeáveis como meio para o
armazenamento de águas pluviais no subleito reduz significativamente o impacto das
vazões durante o pico de cheia, fazendo com que o sistema tenha capacidade de retornar
a condições semelhantes às do ciclo hidrológico natural, assim, diminuindo a sobrecarga
do sistema de drenagem local e reduzindo a probabilidade de ocorrência de falhas e
alagamentos.
Palavras-chave: Drenagem Urbana, Pavimento Permeável, Simulação Computacional
ix
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Engineer.
DIMENSIONING AND ANALYSIS OF HYDRAULIC PERFORMANCE OF
PARKING WITH CONVENTIONAL DRAINAGE AND PERMEABLE
PAVEMENT, SUPPORTED BY COMPUTATIONAL MODELING
Laurent Feu Grancer Silva Oliveira
March/2018
Advisors: Marcelo Gomes Miguez e Osvaldo Moura Rezende.
Course: Civil Engineering
The urban floods directly stress and limitthe citie functions, causing numerous
socioeconomic problems, as damage to infrastructure, material losses, interruption of
business activities, people displacement from their homes and the loss of lives. This work
aims to combine the use of permeable pavements within the urban land use, reducing
imperviousness. The main goal is to develop an alternative drainage project, considering
the use in conjunction of permeable pavements over gravel reservoirs, to reduce peak
flow. The design of the parking lot developed will match the CT2 needs, which is a
building located in the Fundão Island, Rio de Janeiro. The methodology adopted consists
in analyzing and quantifying the impact on minor drainage when comparing a
conventional drainage system with the parking lot built with permeable pavements. The
hydraulic behavior analysis will be performed using the software MODCEL. The
computer simulations shall show that the adoption of permeable surfaces integrated with
reservoirs filled with gravel significantly the impact of low flows during the flood peak.
This fact allows the system to return to conditions similar to those of the natural
hydrological cycle, thus reducing local drainage overflowsand reducing the likelihood of
flood occurrences.
Keywords: Urban Drainage, Pavement permeable, Computer Simulation
x
ÍNDICE
1. INTRODUÇÃO .......................................................................................... 1
1.1. Contexto e Motivação ............................................................................. 1
1.2. Objetivo .................................................................................................. 2
1.3. Metodologia ............................................................................................ 2
2. CONCEITOS HIDROLÓGICOS ............................................................... 4
2.1. Bacia Hidrográfica .................................................................................. 4
2.2. Ciclo Hidrológico ................................................................................... 5
2.3. Precipitação ............................................................................................. 7
2.3.1. Pluviometria ..................................................................................... 8
2.3.2. Precipitação Média e Distribuição Espacial ................................... 10
2.3.3. Frequência de Totais Precipitados e Tempo de Retorno ................ 11
2.3.4. Chuvas Intensas .............................................................................. 12
2.4. Características Físicas da Bacia ............................................................ 13
2.4.1. Infiltração e Percolação .................................................................. 13
2.4.2. Escoamento Superficial e Coeficiente de Runoff ........................... 14
2.4.3. Hidrograma .................................................................................... 15
2.4.4. Tempo de concentração ................................................................. 16
3. DRENAGEM URBANA .......................................................................... 17
3.1. Inundações Urbanas .............................................................................. 17
3.1.1. Formação das Cheias ..................................................................... 17
xi
3.1.2. Efeitos da Urbanização .................................................................. 18
3.1.3. Consequências das Inundações ...................................................... 19
3.2. Sistemas de Drenagem Urbana ............................................................. 19
3.2.1. Drenagem Urbana Convencional ................................................... 20
3.2.2. Drenagem Urbana Sustentável ....................................................... 24
4. PAVIMENTOS PERMEÁVEIS .............................................................. 25
4.1. Princípio de Funcionamento ................................................................. 26
4.2. Componentes dos Pavimentos Permeáveis ........................................... 26
4.2.1. Revestimento .................................................................................. 27
4.2.2. Base e Sub-base ............................................................................. 28
4.2.3. Subleito .......................................................................................... 28
4.2.4. Dispositivos Auxiliares .................................................................. 29
4.3. Tipologia de Revestimentos .................................................................. 30
4.3.1. Revestimento Pavimento de Peças de Pré-moldadas de Concreto 31
4.3.2. Revestimento de Pavimento de Concreto Poroso .......................... 31
4.4. Sistemas de Infiltração .......................................................................... 32
5. PROJETO DO SISTEMA DE DRENAGEM DO ESTACIONAMENTO
DO CT2 33
5.1. Concepção Funcional do Empreendimento .......................................... 34
5.2. Concepção do Projeto de Pavimento Permeável .................................. 37
5.2.1. Estacionamento Noroeste – Drenagem Convencional ................... 37
5.2.2. Estacionamento Sudeste – Drenagem com Concreto Permeável ... 44
xii
5.3. Estudos Hidrológicos e Hidráulicos ..................................................... 50
5.3.1. Determinação da Chuva de Projeto ................................................ 50
5.3.2. Determinação dos Parâmetros Hidráulicos dos Pavimentos .......... 52
5.4. Serviços Geológicos – Geotécnicos ...................................................... 54
5.4.1. Características Hidráulicas do Solo ............................................... 54
5.5. Projeto de Drenagem ............................................................................ 61
5.5.1. Escolha do Modelo ......................................................................... 61
5.5.2. Modelagem Computacional ........................................................... 62
5.5.3. Dimensionamento do Estacionamento Noroeste ........................... 62
5.5.4. Dimensionamento do Estacionamento Sudeste ............................. 68
5.5.5. Comparação entre os dois sistemas de drenagem modelados ........ 72
6. CONCLUSÕES ........................................................................................ 75
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................... 77
1
1. INTRODUÇÃO
Neste capítulo abordaremos os problemas das inundações em meio urbano e a
motivação para a realização desse estudo. Discutiremos os objetivos esperados ao término
do trabalho e qual será a metodologia adotada para alcançarmos tais resultados.
1.1. Contexto e Motivação
Por ser um dos elementos fundamentais à vida, o ser humano sempre procurou se
estabelecer em regiões próximas à água doce, para ter acesso ao seu consumo e aproveitar
as áreas marginais, onde a terra é mais fértil e de fácil irrigação, entre outros benefícios.
Com o avanço da urbanização, as regiões próximas a rios passaram a abrigar enormes
aglomerados de pessoas.
Todo esse processo impacta diretamente o fenômeno natural de inundação dos
rios, agravando-o. Com as alterações do solo da bacia hidrográfica, como ocupação de
áreas naturais de alagamento, impermeabilização e desmatamento, as inundações foram
intensificadas drasticamente e passaram a afetar as próprias comunidades instaladas nas
planícies fluviais, provocando perdas e danos significativos.
O extravasamento da água dos rios entra em conflito direto com o funcionamento
das cidades, causando inúmeros problemas de ordem econômica e social, como danos à
infraestrutura, perdas materiais, interrupção de atividades comerciais, desalojamento de
pessoas e a perda de vidas. O resultado final para a cidade, em muitos casos, é a completa
degradação do espaço urbano, e também do natural, com desvalorização imobiliária,
redução da qualidade de vida dos moradores e perda de valor ambiental.
2
Neste sentido, este trabalho visa conjugar o conceito de utilização do solo, no que
tange a impermeabilização, com a aplicação de pavimentos permeáveis. Estacionamentos
são locais sempre muito impermeáveis e grandes geradores de escoamento, capazes de
agravar problemas de alagamentos. A presente pesquisa visa desenvolver um projeto de
drenagem alternativo, considerando o uso conjugado de pavimentos permeáveis sobre
reservatórios de brita, para diminuir picos de vazão.
O projeto do estacionamento desenvolvido tem como objeto o prédio do CT2, que
fica na Ilha do Fundão, Rio de Janeiro, próxima à Ponte do Saber, que dá acesso à Linha
Vermelha.
1.2. Objetivo
O objetivo deste Projeto de Graduação é desenvolver um projeto de drenagem do
estacionamento do prédio do CT2, utilizando conceitos de drenagem sustentável,
conjugando o uso de pavimentos permeáveis e reservatórios de brita, e comparar os
ganhos desta concepção com o uso de um projeto de concepção tradicional, em termos de
redução de vazões para o sistema de microdrenagem local.
1.3. Metodologia
Para a realização deste trabalho a metodologia adotada seguiu os seguintes passos:
Revisão bibliográfica, buscando a sustentação teórica para o trabalho.
3
Escolha do estudo de caso: estacionamentos do CT2 devido à proximidade
e o acesso a todos os projetos preliminares que tornariam possível a
simulação computacional, além de constituir uma contribuição para a
própria Universidade.
Discretização das áreas: feita a partir do layout arquitetônico do
estacionamento e das especificidades de cada trecho de acordo com suas
características hidráulicas.
Definição de um modelo computacional para suporte à avaliação dos
projetos: nesse caso, foi escolhido o MODCEL, um modelo desenvolvido
na própria UFRJ com vocação para representação da drenagem urbana.
Calibração e validação do modelo computacional: através da comparação
de resultados de eficiência hidráulica coletados em modelo físico
experimental com os resultantes das simulações.
Dimensionamento dos projetos: de maneira em que os dois sistemas de
drenagem funcionassem de maneira plena para uma dada chuva de projeto
caraterística da região, com tempo de retorno adequado ao tipo de projeto
proposto.
Simulação dos modelos representativos dos projetos propostos e
apresentação dos resultados.
Discussão dos resultados obtidos.
4
2. CONCEITOS HIDROLÓGICOS
Neste capítulo abordaremos os principais conceitos hidrológicos, utilizados para
o dimensionamento adequado de um projeto de drenagem, entre eles estão as definições
de uma bacia hidrográfica, dinâmica do ciclo hidrológico, estudo sobre as precipitações
e como as características físicas alteram a hidrodinâmica local.
2.1. Bacia Hidrográfica
A bacia hidrográfica é uma área definida topograficamente e drenada por um curso
de água ou um sistema conectado de cursos de água, de modo que toda a vazão efluente
seja descarregada através de uma simples saída (VILLELA e MATTOS, 1975).
Em uma bacia natural, essa área é delimitada pela linha de cumeada (linha dos
pontos mais altos) até o exutório da bacia, definindo assim a área de drenagem ou de
contribuição, como vemos na Figura 1. Seus escoamentos são provenientes das
combinações naturais subterrâneas, em épocas de estiagem, somadas às águas de
escoamento superficial, nas épocas chuvosas, consideradas as perdas por evaporação,
transpiração, etc.
A rede de drenagem é constituída de um conjunto de canais de escoamento
interligados que depende principalmente do relevo, da cobertura vegetal, do tipo de solo
e da litologia e estrutura das rochas da bacia hidrográfica, sendo que a disposição dos rios,
controlada em grande parte pela estrutura geológica, é definida pelo padrão de drenagem
(ANDRADE et al., 2008; OLIVEIRA et al., 2010)
5
A bacia hidrográfica é o âmbito de estudo geográfico, delimitado pelo Divortium
Acuarium onde acontece o ciclo hidrológico de importância prática para os hidrólogos,
desenvolvendo diversos modelos hidrológicos a partir das características topográficas e
morfométricas da bacia hidrográfica (CHEREQUE, 1997).
Nesse contexto, podemos pensar na bacia hidrográfica como um sistema fechado
e limitado fisicamente onde ocorre o ciclo hidrológico, desde grandes bacias naturais até
pequenas áreas de drenagem de águas pluviais.
Figura 1: Definição de uma bacia hidrográfica (Fonte: COSTA, 2001)
2.2. Ciclo Hidrológico
O ciclo hidrológico é o processo de circulação fechada da água, em que o elemento
fundamental da análise é a bacia hidrográfica, que corresponde à área de captação natural
dos fluxos da água originados da precipitação, que faz convergir os escoamentos para um
único ponto de saída, seu exutório (TUCCI, 2009; SILVEIRA, 2001).
6
A dinâmica das transformações e a circulação das águas na atmosfera, hidrosfera
e litosfera formam um grande, complexo e intrínseco ciclo representativo do caminho das
águas nos seus diversos estados físicos.
A água que evapora dos oceanos e da superfície da terra passa a integrar o
conteúdo da atmosfera na forma de vapor d’água que, ao se concentrar nas camadas mais
altas, formam nuvens que se modelam e se movimentam em função do deslocamento das
massas de ar. Posteriormente esse vapor d’água se agrupa em gotículas de água e se
precipitam das nuvens sob a ação da força da gravidade, formando precipitações
pluviométricas, ou seja, chuvas.
As águas de chuva podem ser interceptadas, em parte, pela vegetação que cobre o
terreno e/ou pelas superfícies superiores das construções porventura existentes. O que
excede a essa retenção, soma-se àquela parcela de chuva que atingiu diretamente o solo,
se infiltrando através dos vazios entre os grãos do solo.
A água infiltrada percola na direção das camadas mais profundas, contribuindo
para o abastecimento dos reservatórios subterrâneos rasos (lençol freático) e profundos
(aquíferos). Quando a capacidade de infiltração do solo é superada, o excesso das águas
de chuva vai avolumar os escoamentos superficiais já iniciados sobre as áreas
impermeáveis e as de menor permeabilidade, na direção das regiões mais baixas.
A água escoada superficialmente se concentra em córregos, riachos e rios,
chegando, por fim, ao oceano onde a continuidade do ciclo se manifesta novamente
através da evaporação da água, seja nos oceanos, vegetação ou reservatórios naturais e
antrópicos. Podemos ver a representação do ciclo na Figura 2.
7
Figura 2: Representação da movimentação da água no ciclo hidrológico de uma bacia natural
(Fonte: https://goo.gl/6hEhZR )
2.3. Precipitação
A água evaporada (vapor d’água) vai sendo acumulada no ar, que ao ganhar
altitude vai expandindo-se pela diminuição da pressão atmosférica. A expansão causa o
resfriamento do ar que vai perdendo a capacidade de conter umidade (vapor d’água),
iniciando-se o processo de retorno ao estado líquido (condensação) sob a forma de
pequenas gotículas de água (KOBIYAMA, 2006).
Existem diferentes processos que desencadeiam as chuvas, variando de acordo
com o local, formas de relevo e temperatura do ambiente. De acordo com a maneira que
8
o ar se eleva, a chuva pode ser classificada em três tipos principais: orográficas;
convectivas; e frontais (AYOADE, 1998).
Segundo FELLOWS (1975) pode-se dizer que chuvas orográficas são típicas de
regiões onde barreiras topográficas obstruem o livre movimento das massas de ar; chuvas
convectivas são os tipos normais de regiões tropicais, devido ao excessivo aquecimento
da superfície; e chuvas frontais são o tipo predominante em regiões de média latitude,
dominadas por frentes polares.
No estudo de um modelo hidrológico, a chuva é vista como entrada do modelo e
o estudo de seu comportamento a partir do momento em que atinge o solo é de interesse
da hidrologia.
2.3.1. Pluviometria
As chuvas são medidas nas estações pluviométricas que podem ser equipadas com
aparelhos totalizadores (pluviômetros) e/ou registradores (pluviógrafos). As principais
grandezas para medição de chuva são sua altura, duração, intensidade (altura/duração) e
frequência.
Os pluviômetros (Figura 3) acumulam as águas de chuva captadas através de uma
pequena bacia de recepção. O volume precipitado é medido com o auxílio de uma proveta
calibrada, que acompanha o equipamento. Em geral, no Brasil, os pluviômetros são
empregados como totalizadores das precipitações de 1 dia de duração. Cada estação é
operada por um observador, morador da região, treinado para efetuar a leitura todo o dia,
às 7 horas da manhã, conforme convenção nacional (COSTA, 2001).
9
Figura 3: Pluviômetros Ville de Paris (esquerda), Paulista (centro) e de Helmann (direita). (Fonte: VAREJÃO-
SILVA, 2001).
Os pluviógrafos (Figura 4) funcionam sob princípios similares aos do
pluviômetro, inclusive com o mesmo tamanho da bacia de recepção. A diferença está na
vantagem de registrar, continuamente, através de mecanismos específicos, a variação da
altura de chuva durante o período de precipitação. A grande vantagem do pluviógrafo é
permitir a determinação da intensidade da chuva a intervalos de tempo tão pequenos
quanto se queira (COSTA, 2001).
Figura 4: Pluviógrafo de boia e respectivo esquema de registro e acumulação de água. (Fonte: VAREJÃO-
SILVA, 2001)
10
Apesar do cálculo da medição ser importante, a maneira de instalar o pluviômetro
também é fundamental. Durante a instalação do pluviômetro é necessário verificar se
existem alguns obstáculos próximos do mesmo. Se houver algo perto da boca do
pluviômetro, a chuva não poderá ser medida corretamente. Além disso, na condição ideal,
a altura da boca do pluviômetro deve estar 1,5 m acima da superfície do solo
(KOBIYAMA, 2006).
Embora existam outros elementos meteorológicos significativos para o estudo de
desastres naturais, a chuva, pela sua importância e também facilidade de medição, deve
ser um dos principais elementos estudados (KOBIYAMA, 2006).
2.3.2. Precipitação Média e Distribuição Espacial
A distribuição espacial da chuva não é uniforme, isto é, não cai a mesma
quantidade de água igualmente sobre uma região durante o mesmo intervalo de tempo.
Pode ocorrer, inclusive, chuva numa área e nenhuma chuva sobre uma outra área vizinha.
Portanto, a ocorrência de chuvas está vinculada a uma série de fatores locais e regionais,
como a circulação das massas de ar, temperatura, topografia, umidade do ar, ventos, etc.
A superfície ou polígono de influência de cada observação poderá ser obtida do
seguinte modo (LENCASTRE et al, 1984): unem-se as observações adjacentes três a três
por segmentos de reta e traçam-se normais ao meio dos segmentos, formando polígonos
com estas normais (polígonos de Thiessen, Figura 5).
Admite-se que cada posto seja representativo daquela área onde a altura
precipitada é tida como constante. Esse método apresenta limitações, pois não considera
as influências orográficas, ele simplesmente admite uma variação linear da precipitação
11
entre as estações e designa cada porção da área para a estação mais próxima.
Interpretações físicas podem ser adicionadas ao método, para incorporar efeitos
orográficos e ajustar áreas de influência.
Figura 5: Divisão dos polígonos de Thiessen (Fonte: notas de aula do professor Paulo Renato Barbosa)
Para o cálculo da precipitação média, cada estação recebe um peso pela área que
representa em relação à área total da bacia. Se os polígonos abrangem áreas externas à
bacia, essas porções devem ser eliminadas no cálculo. Se a área total é A e as áreas
parciais A1, A2, A3, etc., com alturas precipitadas P1, P2, P3, etc., respectivamente, a
precipitação média de uma área que contém n postos é:
𝑃𝑚 =𝐴1𝑃1+𝐴2𝑃2+𝐴3𝑃3+⋯+𝐴𝑛𝑃𝑛
𝐴 (2.1)
2.3.3. Frequência de Totais Precipitados e Tempo de Retorno
Nos projetos de obras hidráulicas, as dimensões são determinadas em função de
considerações de ordem econômica; portanto, escolhido o nível de segurança condizente
12
com os prejuízos aceitáveis, corre-se o risco de que a estrutura venha a falhar durante a
sua vida útil. É necessário, então, se conhecer e arbitrar este risco. Para isso analisam-se
estatisticamente as observações realizadas nos postos pluviométricos (na hipótese de se
utilizar as chuvas como referência para o projeto), verificando-se com que frequência elas
assumiram cada magnitude. Em seguida, pode-se avaliar as probabilidades teóricas.
Portanto, podemos associar a magnitude de um evento com a sua frequência de
ocorrência. Isto é básico para o dimensionamento de estruturas hidráulicas em função da
segurança que as mesmas devam ter.
2.3.4. Chuvas Intensas
A intensidade máxima pontual pode ser determinada através das relações
intensidade-duração-frequência – IDF das chuvas. Essas relações são obtidas através de
uma série de dados de chuvas intensas, suficientemente longas e representativas do local
do projeto. O trabalho do engenheiro Otto Pfafstetter (1957), para 98 postos
pluviográficos do território brasileiro, ainda é uma referência. Estas relações seguem
geralmente a seguinte forma:
𝑃 = 𝑇𝛼 +𝛽
𝑇𝑟𝛾[𝑎𝑡 + 𝑏𝑙𝑜𝑔(1 + 𝑐𝑡)] (2.2)
Em que T é o período de retorno do evento (anos), t é a duração do evento (horas),
os parâmetros a, b e c são constantes do posto pluviométrico e os parâmetros α, β e γ, são
definidos de acordo com a intensidade e duração do evento.
13
Uma outra forma bastante usual, derivada da equação 2.3, de se expressar as
relações de intensidade-duração-frequência – IDF, são expressões obtidas de ajustes de
distribuição de frequência como Equação Geral:
imax = 𝐾∙𝑇𝑅𝑚
(𝑡+𝑡0)𝑛 (2.3)
2.4. Características Físicas da Bacia
O desenho de um hidrograma vai depender do conjunto de fatores climatológicos
e das peculiaridades físicas da bacia hidrográfica. Sob o ponto de vista físico da bacia,
os fatores mais relevantes são: área de drenagem, tipo de solo, cobertura vegetal,
geometria, declividades, disposição predominante dos cursos de água e densidade de
drenagem (COSTA, 2001).
2.4.1. Infiltração e Percolação
Para FRIZZONE (1993) a infiltração é um processo complexo, dependente das
propriedades físicas do solo, do seu conteúdo inicial de água, da forma de umedecimento
e das variações de permeabilidade devido ao movimento da água na superfície e ao ar
retido nos poros.
Os processos de infiltração de água no solo são geralmente relacionados ao fluxo
de água, entre as variáveis que influenciam este fluxo, a condutividade hidráulica do solo
(K) se destaca. Ela é um parâmetro que representa a facilidade com que o solo transmite
água. O valor máximo de condutividade hidráulica é atingido quando o solo se encontra
saturado, e é denominado de condutividade hidráulica saturada (REICHARDT, 1990).
14
Para determinar a capacidade de infiltração do solo pode-se usar infiltrômetros de
pressão, conhecidos também como infiltrômetros de duplo anel. Os infiltrômetros de
pressão são os aparatos menos dispendiosos, com simples leitura e de fácil manuseio e
transporte para a avaliação da infiltração (LAWALL, 2010).
Depois de infiltrar no solo, as águas pluviais sofrem um movimento descendente
entre os vazios do solo, esse movimento é conhecido como percolação. A água vai se
armazenando gradativamente no perfil do solo e, dependendo da umidade inicial, da
intensidade e duração da chuva, a capacidade de armazenamento de água do solo poderá
ser esgotada. Depois dos vazios estiverem totalmente preenchidos, o excedente de água
que infiltrar será diretamente drenado para as camadas mais profundas do solo, indo
abastecer reservatórios subterrâneos.
Durante os períodos sem chuva, as águas armazenadas nos reservatórios
subterrâneos fluem lentamente, pela ação da gravidade, para áreas mais baixas,
abastecendo os corpos de água. Essa contribuição é chamada de descarga de base ou
escoamento base.
2.4.2. Escoamento Superficial e Coeficiente de Runoff
A parcela de água pluvial que não infiltra no solo e não é retida nas depressões e
na vegetação, flui sobre os terrenos, sob a ação da gravidade, buscando as linhas de
talvegue, até finalmente alcançar os cursos d’água, lagos e oceanos. Essa parcela é
definida como escoamento superficial.
A razão entre o volume de água escoado superficialmente e o volume de água
precipitado é chamado de coeficiente de runoff ou coeficiente de escoamento superficial.
15
2.4.3. Hidrograma
O hidrograma é uma representação gráfica que relaciona vazão com o tempo,
registrando a variação das vazões médias escoadas através de uma determinada seção
transversal de um curso de água durante um intervalo de tempo de observação. A vazão
média é o resultado da divisão de um determinado volume de água pelo intervalo de
tempo que esse volume precisa para passar através de uma seção de um curso de água
(COSTA, 2001).
Antes de um evento pluviométrico, pode-se interpretar que a vazão existente em
um curso de água é representativa das contribuições da própria nascente, somadas com a
parcela afluente do lençol freático (escoamento-base).
Iniciada a chuva, como citado anteriormente, as águas dos escoamentos superficial
e sub-superficial juntam-se àquelas do escoamento base. A Figura 6 apresenta um
exemplo teórico das diferentes parcelas dos escoamentos existentes e que compõem um
hidrograma observado, após um período chuvoso isolado sobre a bacia (COSTA, 2001).
Figura 6: Exemplo das parcelas que compõem um hidrograma (Fonte: COSTA, 2001)
16
Devido à variação da distribuição da chuva no tempo e no espaço, das
características da bacia hidrográfica e da ocorrência de chuvas antecedentes, os
hidrogramas medidos na natureza têm formas muitas vezes complexas.
Para o conhecimento do hidrograma, é necessária a instalação de uma estação
fluviométrica próxima ao trecho do curso de água que se deseja estudar.
Esses hidrogramas refletem o comportamento dos níveis d’água associados às
vazões naquela seção, ao longo do tempo, e se constituem no registro contínuo do
escoamento, englobando os períodos de estiagem e de cheia. As vazões críticas mínimas
e/ou máximas observadas a cada ano fornecem uma amostra histórica cujo tratamento
estatístico permite a definição de parâmetros importantes para planejamento e projetos de
engenharia.
2.4.4. Tempo de concentração
O tempo de concentração relativo a uma seção transversal do curso d’água é o
intervalo de tempo necessário para que as águas precipitadas sobre uma bacia contribuam
para essa seção, atendidas as necessidades de infiltração, de retenção da vegetação e
depressões do terreno.
Em outras palavras, é o tempo necessário para que uma partícula com as
características de um pingo de chuva se desloque do ponto mais longínquo da bacia,
percorrendo os caminhos de drenagem e alcance a seção de interesse.
Atingindo o tempo de concentração, supõe-se que a contribuição das águas de
chuva seja máxima junto à seção considerada, para uma chuva homogênea e de longa
17
duração. A contribuição máxima será tanto maior quanto maior for a área da bacia
hidrográfica (área de drenagem), para a mesma intensidade e duração da chuva.
3. DRENAGEM URBANA
Neste capítulo abordaremos conceitos relacionados à formação de cheias e quais
são os principais efeitos da urbanização na intensificação desse fenômeno além de
abordar suas consequências. Mostraremos também os principais sistemas de drenagem
urbana utilizados para conter os danos das inundações urbanas.
3.1. Inundações Urbanas
A inundação urbana é uma ocorrência tão antiga quanto as próprias cidades ou
qualquer aglomeração urbana. A inundação ocorre quando as águas dos rios, riachos,
galerias pluviais saem do leito de escoamento devido à falta de capacidade de transporte
de um destes sistemas e ocupa áreas onde a população utiliza para moradia, transporte
(ruas, rodovias e passeios), recreação, comércio, indústria, entre outros (TUCCI et al.,
2003).
3.1.1. Formação das Cheias
As cheias naturais são fenômenos provocados pelo excesso de escoamento
superficial, gerado a partir de uma precipitação intensa. Esse processo natural é cíclico,
18
natural e benéfico ao meio ambiente. A presença de rios e, mais diretamente, a presença
de água, sempre foi um fator fundamental no desenvolvimento das cidades, ou seja, um
fator condicionante e determinante da fixação das comunidades que deram origem aos
primeiros aglomerados urbanos (MIGUEZ et al., 2015).
3.1.2. Efeitos da Urbanização
A intensificação das atividades humanas fez com que o processo de urbanização
se acelerasse rapidamente nos últimos séculos. Esse processo de alteração no uso e
ocupação do solo, somado ao fato de que as cidades se estabelecem usualmente próximo
às fontes de água potável, fez com que os processos hidrológicos fossem igualmente
modificados e, consequentemente, alterasse a qualidade do ambiente natural e construído,
resultando na degradação do espaço urbano pela ocorrência de inundações.
Além das mudanças no uso do solo, a urbanização ocasiona mudanças
significativas na geomorfologia dos cursos d’água, tanto longitudinalmente, quanto
transversalmente, com a retificação de rios naturais em canais urbanos. Podemos observar
a diferença de comportamento hidrológico entre o meio urbano e o natural observando a
Figura 7.
O próprio processo de formação de chuvas intensas convectivas pode se agravar
pelos fenômenos de ilhas de calor, que se formam sobre as áreas centrais de superfícies
mais urbanizadas, também agravadas pelo excesso de urbanização (MIGUEZ et al., 2015).
19
Figura 7: Influência da urbanização no volume escoado superficialmente (Fonte: COSTA, 2001)
3.1.3. Consequências das Inundações
A cidade sofre com o agravamento das cheias, acumulando perdas econômicas e
sociais diversas: danos em infraestrutura e nas habitações, degradação do ambiente
natural e desvalorização do ambiente construído, propagação de doenças de veiculação
hídrica, empobrecimento da população com perdas sucessivas, entre outros (MIGUEZ et
al., 2015).
3.2. Sistemas de Drenagem Urbana
A drenagem é definida como o conjunto de elementos, interligados em um
sistema, composto por dois subsistemas principais, a microdrenagem e a macrodrenagem,
20
que trabalham em conjunto, destinados a recolher as águas pluviais precipitadas sobre
uma determinada região, conduzindo-as, de forma segura, a um destino final.
A microdrenagem capta as águas pluviais dos lotes urbanos, praças e ruas e
conduz o volume precipitado através de sarjetas, bocas de lobo e galerias. O risco
associado assumido em projeto está entre 2 a 10 anos, pois quando a microdrenagem
falha, seja por mau dimensionamento ou pela ocorrência de uma precipitação mais intensa
do que a chuva para qual foi projetada, os problemas que essas falhas causam são,
geralmente, de pequenas dimensões como problemas de tráfego, com congestionamentos
e pequenos danos a veículos, problemas de saúde pública, com possibilidades de surtos
de doenças de veiculação hídrica e acidentes com pedestres.
A macrodrenagem, por sua vez, capta as águas pluviais de toda a bacia
hidrográfica, incluindo as águas provenientes da microdrenagem. Ela conduz o volume
precipitado através da hidrografia natural e também de canais de drenagem. O risco
associado está entre 10 e 100 anos, pois falhas relacionadas à rede de macrodrenagem
tendem a apresentar maiores danos e prejuízos ao patrimônio, muitas vezes
desencadeando inclusive perdas de vidas.
3.2.1. Drenagem Urbana Convencional
O projeto de drenagem tradicional, basicamente, trabalha com o conceito de uma
rede ramificada, projetada para escoamentos com superfície livre, ou seja, sob a ação da
pressão atmosférica. Dessa forma, noções básicas de escoamento com superfície livre, e
especialmente de escoamento de canais, são apresentadas como suporte básico ao
dimensionamento (MIGUEZ et al., 2015).
21
Os principais elementos do sistema convencional de microdrenagem e suas funções são
descritas abaixo:
Sarjetas: servem para a captação das águas superficiais de áreas públicas
e de lotes que não se comunicam à rede por ramais prediais. O cálculo de
sua geometria (largura, altura e extensão) é feita pela fórmula de Manning,
de modo que sua capacidade mantenha a via funcionando.
Bocas de lobo e caixas-ralo: recebem as águas descarregadas pela sarjeta
e encaminham para as galerias, com intermédio das caixas de ligação e
poços de visita.
Poços de visita: permitem a inspeção e manutenção da rede. Servem
também para permitir transições do escoamento, sejam em mudanças de
seção transversal, em mudanças de declividade e mudanças de direção.
Caixas de ligação: servem para permitir transições do escoamento, sejam
em mudanças de seção transversal, em mudanças de declividade e
mudanças de direção.
Galerias: é o sistema de dutos subterrâneos destinados à captação e
escoamento das águas pluviais coletadas pelas bocas de lobo até o corpo
hídrico apropriado.
Podemos observar o funcionamento esquemático dos dispositivos hidráulicos na Figura
8 (planta) e na Figura 9 (corte).
22
Figura 8: Funcionamento do sistema em planta (Fonte: notas de aula do professor Marcelo Gomes Miguez)
Figura 9: Funcionamento do sistema em corte (Fonte: notas de aula do professor Marcelo Gomes Miguez)
23
De maneira geral, as etapas do dimensionamento hidráulico de uma rede
convencional de drenagem são:
1. Análise da área de implantação do projeto, incluindo o reconhecimento
local e levantamento topográfico, para que possamos identificar o sentido
de escoamento e assim definir o traçado da rede.
2. Definição do tempo de recorrência (TR) da chuva de projeto, para qual
será dimensionada a rede.
3. Escolha da equação de chuvas aplicável à região em estudo.
4. Definição das áreas de contribuição em cada seção de cálculo geralmente
onde estão localizados os poços de visitas.
5. Definição do coeficiente de escoamento médio, ponderado para a área de
contribuição.
6. Determinação do tempo de concentração (tc) para cada seção de cálculo
7. Determinação da intensidade média de precipitação para duração igual ao
tempo de concentração do trecho.
8. Cálculo da vazão de projeto do trecho, por aplicação da equação do
método racional (Equação 3.1).
𝑄 = 𝐶 ∙ 𝑖 ∙ 𝐴 (3.1)
9. Definição do diâmetro e da declividade do trecho de galeria, considerando
a minimização de custos, aspectos técnicos e regulamentares de
implantação, como recobrimento mínimo, e satisfação dos critérios
24
hidráulicos (capacidade de escoamento, ocupação da seção transversal e
velocidades mínima e máxima).
10. Determinação do tempo de percurso (tp) ao longo do trecho, considerando
a extensão da galeria e a velocidade média de escoamento, para a vazão de
projeto.
11. Adição do tempo de percurso ao tempo de concentração para o trecho
seguinte.
3.2.2. Drenagem Urbana Sustentável
A partir do fim da década de 60, passou-se, em alguns países, a questionar a
drenagem urbana realizada de forma tradicional que, por intermédio de obras destinadas
a retirar rapidamente as águas acumuladas em áreas importantes, transfere o problema
para outras áreas ou para o futuro (POMPÊO, 2000).
Foram introduzidas as denominadas medidas compensatórias, que buscam
compensar os efeitos negativos da urbanização, atuando sobre os processos hidrológicos
e visando à redução de volumes ou vazões, em diferentes concepções, quanto ao porte e
localização das obras (NASCIMENTO et al., 1997).
Entre as técnicas compensatórias, dois grandes grupos se destacam: um que
privilegia a armazenagem e a recuperação da capacidade de retenção, outro que foca na
infiltração, tendo sempre em vista a compensação dos impactos da urbanização sobre o
ciclo hidrológico. Reservatórios de detenção, reservatórios de retenção e reservatórios de
lote se enquadram no primeiro grupo; pavimentos permeáveis, valas de infiltração,
25
trincheiras de infiltração e telhados verdes se enquadram no segundo grupo (MIGUEZ et
al., 2015).
O desenvolvimento dessas intervenções no meio urbano ganha destaque ao ser
associado a outros usos, como paisagismo e área de lazer, inserindo-se na cidade como
paisagens multifuncionais e, assim, valorizando ainda mais o espaço urbano e o seu
entorno, por meio de um projeto harmonioso entre o ambiente construído e o natural
(MIGUEZ et al., 2015).
No próximo item, serão apresentadas as principais características do uso de pavimentos
permeáveis em sistemas de drenagem pluvial.
4. PAVIMENTOS PERMEÁVEIS
Os pavimentos permeáveis são uma técnica compensatória que originalmente era
responsável por permitir a infiltração em áreas urbanizadas, substituindo os revestimentos
impermeáveis tradicionais. Dependendo do projeto, porém, também podem funcionar
associados a reservatórios de brita sob sua superfície, juntando amortecimento e
infiltração. Os pavimentos permeáveis também são conhecidos como estruturas
reservatório. RAIMBAULT et al. (2002) afirmam que essa denominação se refere às
funções realizadas pela matriz porosa de que são constituídos:
Função mecânica, associada ao termo estrutura, que permite suporte os
carregamentos impostos pelo tráfego de veículos;
26
Função hidráulica (associada ao termo reservatório) que assegura, pela
porosidade dos materiais, reter temporariamente as águas, seguido pela
drenagem, e, se possível, por infiltração no solo de subleito.
4.1. Princípio de Funcionamento
Segundo AZZOUT et al. (1994), o funcionamento hidráulico dos pavimentos
permeáveis baseia-se em:
Entrada imediata da água da chuva no corpo do pavimento. Essa entrada
pode ser feita de forma distribuída (no caso de revestimentos porosos, que
permitem a penetração da água) ou localizadamente (através de drenos
laterais ou bocas-de-lobo);
Estocagem temporária da água no interior do pavimento, nos vazios da
camada reservatório;
Evacuação lenta da água, que é feita por infiltração no solo, pela liberação
lenta para a rede de drenagem, ou uma combinação das duas formas.
4.2. Componentes dos Pavimentos Permeáveis
A seção típica de um pavimento é composta por: subleito, camada de solo na qual
será apoiada a estrutura do pavimento; sub-base, implantada para aumentar a espessura
da estrutura do pavimento ou para armazenar água, com material de maior granulometria
em relação à camada de base; base, que distribui o carregamento para o subleito; e
27
revestimento, camada que recebe diretamente o tráfego e deve ser dimensionada para
resistir ao desgaste. O revestimento recebe o carregamento do tráfego e transfere as cargas
para a base, que se apoia na sub-base que por sua vez se apoia no subleito. (SUZUKI et
al, 2011). Podemos ver as camadas na Figura 10.
Figura 10: Principais camadas do sistema de pavimentos permeáveis
(Adaptado:http://www.rhinopisos.com.br/site/instrucoes_de_colocacao/)
4.2.1. Revestimento
O revestimento recebe diretamente o carregamento de tráfego transferindo
esforços para as camadas inferiores. De maneira geral o revestimento é economicamente
mais caro por ser constituído de material resistente ao desgaste. Subjetivamente ao
revestimento são atribuídas características tais como aparência e acessibilidade
(VIRGILLIS, 2009).
28
4.2.2. Base e Sub-base
São camadas que, além de ter a função de transmitir os esforços do revestimento
para o subleito, podem também ter a função de reservatório temporário, armazenando a
água infiltrada em seus vazios, para possível infiltração no solo ou escoamento pela rede
de drenagem lateral (CARRENHO, 2013).
Estas camadas geralmente são compostas por material granular, com pequena
porcentagem de finos. Este material deve possuir resistência suficiente para suportar as
solicitações exigidas pelo pavimento e alta resistência ao atrito, para evitar fragmentação
que descaracteriza a porosidade do material (CARRENHO, 2013).
4.2.3. Subleito
Esta camada influencia diretamente no dimensionamento da base e sub-base do
pavimento. Pelo fato de ser a camada já existente no local da implantação, devem ser
conhecidas algumas características como: tipo de solo; capacidade de suporte,
determinada pela NBR 9895 – Solo – Índice de Suporte Califórnia; e coeficiente de
permeabilidade, que pode ser determinado através da NBR 13292 – Solo – Determinação
do coeficiente de permeabilidade de solos granulares à carga constante ou NBR 14545 –
Solo – Determinação do coeficiente de permeabilidade de solos argilosos à carga variável.
(SUZUKI et al, 2011).
29
4.2.4. Dispositivos Auxiliares
Esses dispositivos auxiliares têm diversas funções e serão utilizados para
viabilizar o bom funcionamento do sistema de pavimentos permeáveis.
Geotêxtil
Entre as camadas da estrutura do pavimento deve ser utilizada uma geomembrana
ou filtro geotêxtil, que impedirá a migração do material de uma camada para outra,
auxiliando para que a estrutura não tenha redução na permeabilidade pela transferência
de finos entre camadas, além de manter a integridade estrutural das camadas. (SUZUKI
et al, 2011).
Tubos de Drenagem
Eventualmente há a necessidade de instalação de tubos do tipo dreno no fundo da
camada de brita. Esses drenos permitem a liberação do excesso de água que venha a ficar
armazenado no reservatório por um tempo superior ao máximo recomendado (ACIOLLI,
2005).
Devido à baixa permeabilidade do solo subjacente, podem ser instalados drenos
extravasores no topo da camada de brita do pavimento, sendo direcionados para o sistema
de drenagem urbano, isso é feito para evitar o completo enchimento da camada
reservatório, e impedir o alagamento da superfície do pavimento.
30
Camada de Assentamento
A camada de assentamento é aquela sobre a qual as peças de concreto serão
colocadas. Constituída de areia média, semelhante à utilizada para concreto, a mesma
deve estar limpa e com umidade ideal (AMARAL, 2017).
Colocada sobre a base compactada, a areia é sarrafeada com uma régua niveladora
atingindo uma altura de aproximadamente 5 cm, para que, depois de compactada, forme
uma camada de 3 a 4 cm conforme especificado em projeto. Para liberar o assentamento
das peças, é necessário verificar a planicidade da areia de forma a evitar um piso com
calombos, buracos ou ondulado (MARCHIONI; SILVA, 2011).
4.3. Tipologia de Revestimentos
Os pavimentos permeáveis são aqueles que possuem espaços livres na sua
estrutura onde a água e o ar podem atravessar. A camada de revestimento dos pavimentos
permeáveis nos sistemas à base de cimento pode ser executada utilizando concreto poroso
moldado in loco ou peças pré-moldadas de concreto (MARCHIONE E SILVA, 2010).
Peças pré-moldadas de concreto: dependendo da sua dimensão são
classificadas como peças de concreto para pavimentação intertravada ou
como placas de concreto, permitem a passagem da água entre suas juntas.
Concreto poroso moldado in loco: possui poros que permitem a infiltração
de água, para isso utilizam-se agregados com poucos ou sem finos,
resultando nos vazios por onde a água passa.
31
4.3.1. Revestimento Pavimento de Peças de Pré-moldadas de Concreto
Com relação aos blocos de concreto, existem inúmeros tipos disponíveis no
mercado brasileiro, blocos maciços, blocos vazados e blocos permeáveis (PINTO, 2011).
Estas peças possuem juntas preenchidas com material granular e podem até ser
utilizadas sem preenchimento. Possuem como vantagem a fabricação de diversas cores e
formatos, permitindo a valorização da estética da área pavimentada. (SUZUKI, PACE E
VAQUER, 2011).
4.3.2. Revestimento de Pavimento de Concreto Poroso
O concreto poroso possui poros que permitem a infiltração da água, tais poros são
obtidos utilizando agregados com poucos ou sem finos e de graduação uniforme. Permite
que as águas pluviais que caem sobre o pavimento percole no solo abaixo. Este tipo de
revestimento é de custo inicial de fabricação elevado, possui grande permeabilidade e não
deve ser aplicado sobre subleito com baixa capacidade de suporte. (SUZUKI et al, 2011).
O pavimento poroso consiste de um pavimento de asfalto ou concreto onde não
existem os agregados finos, isto é, partículas menores que 600 μm (peneira número 30).
O asfalto tem agregados com vazios de 40% e concreto com 17%. A condutividade
hidráulica mínima em que pode ser considerada a infiltração no solo é de 0,36 mm/h
conforme (CIRIA, 2007 apud TOMAZ, 2009). Uma das vantagens do pavimento poroso
em asfalto é que gera menos barulho dos veículos, reduz o splash das chuvas e diminui o
problema de aquaplanagem (TOMAZ, 2009).
32
4.4. Sistemas de Infiltração
Segundo SCHUELER (1987), o projeto de pavimentos permeáveis encaixa-se em
três categorias básicas, a depender do armazenamento da água provido pelo reservatório
e da capacidade de infiltração do solo. São elas:
Sistema de infiltração total: o único meio de saída do escoamento é
através da infiltração no solo. Portanto, o reservatório de pedras deve ser
grande o suficiente para acomodar o volume do escoamento de uma chuva
de projeto, menos o volume que é infiltrado durante a chuva. Desse modo,
o sistema promove o controle total da descarga de pico, do volume e da
qualidade da água, para todos os eventos de chuva de magnitude inferior
ou igual à chuva de projeto.
Sistema de infiltração parcial: Nos casos em que o solo não possui uma
boa taxa de infiltração, deve ser utilizado o sistema de infiltração parcial.
Nesse caso, deve ser instalado um sistema de drenagem enterrado, que
consta de tubos perfurados espaçados regularmente, localizados na parte
superior do reservatório de pedras. O sistema funciona no sentido de
coletar o escoamento que não seria contido pelo reservatório de pedras,
levando-o para uma saída central. SCHUELER (1987) sugere que o
tamanho e espaçamento da rede de drenagem devem ser dimensionados de
modo a receber no mínimo uma chuva de dois anos de tempo de retorno.
Sistema de infiltração para controle de qualidade de água: Este
sistema é utilizado para coletar apenas o “first flush” do escoamento, que
é o fluxo inicial da chuva, que contém a maior concentração de poluentes.
33
Os volumes em excesso não são tratados pelo sistema, sendo transportados
através de drenos para um coletor de água pluvial.
Na Figura 11 pode-se compreender melhor o funcionamento dos diferentes tipos
de sistemas de infiltrações.
Figura 11: Esquema dos tipos de pavimentos permeáveis (adaptado de Schueler, 1987).
5. PROJETO DO SISTEMA DE DRENAGEM DO
ESTACIONAMENTO DO CT2
Para melhor desenvolvimento do projeto de drenagem do estacionamento do CT2,
adotamos uma sequência de etapas necessárias para o dimensionamento do projeto, elas
estão ordenadas num fluxograma (Figura 12).
34
Figura 12: Fluxograma de execução de projeto.
5.1. Concepção Funcional do Empreendimento
O projeto do estacionamento do CT-2 será implantado em frente ao prédio da
Fundação COPPETEC, que fica localizado na Ilha do Fundão, Rio de Janeiro, próximo à
Ponte do Saber, que dá acesso à via expressa Linha Vermelha (Figura 13).
Figura 13: Imagem de satélite indicando a localização do prédio da COPPETEC onde será implantado o
projeto do estacionamento
Locação do Empreendimento
Concepção de Projeto dos Estacionamentos
Determinação da Chuva de Projeto
Determinação dos Parâmetros Hidráulicos
Pré-dimensionamento
das calhas e reservatórios
Escolha do Modelo Computacional
Discretização e modelagem
Dimensionamento das calhas e reservatórios
Simulação e Comparação dos
resultados obtidos
35
A área de projeto foi dividida em dois tipos distintos de estacionamento,
denominados noroeste e sudeste (Figura 14), que são diferenciados a partir de seu tipo de
pavimentação e seu sistema de drenagem. O estacionamento noroeste foi projetado com
pavimento em blocos intertravados, drenando as águas pluviais por canaletas, enquanto
que o estacionamento sudeste foi projetado com pavimento permeável comercial,
armazenando as águas pluviais em um reservatório de brita, antes de contribuir para a
rede de microdrenagem, como pode ser observado na Figura 14. Para o remanescente da
área de estacionamento, fora da área de intervenção, será utilizado um revestimento com
pó de pedra. Uma possível parceria com a empresa Lafarge do Brasil, permitiria utilizar
o pavimento permeável desenvolvido por esta empresa, denominado Hydromedia®. Esse
pavimento será tomado como referência e é composto por um concreto poroso com alta
capacidade de drenagem1.
1 Fonte: informação retirada do site www.lafargedobrasil.com.br. Acessado em: 03 de setembro de 2015 às
14h47min.
36
Figura 14 - Estacionamento Noroeste com Pavimento em Blocos Intertravados e Estacionamento Sudeste com Pavimento Permeável (planta DES-AQF2015-XX-01)
37
5.2. Concepção do Projeto de Pavimento Permeável
A área total do estacionamento é de aproximadamente 10.740 m². As áreas dos
estacionamentos Noroeste e Sudeste são 2.177 m² e 2.113 m², respectivamente. As vias
de rodagem serão diferentes em cada tipo de estacionamento e serão apresentadas
posteriormente em seção própria.
5.2.1. Estacionamento Noroeste – Drenagem Convencional
Como já mencionado, o estacionamento Noroeste será revestido com pavimento
intertravado convencional. Este pavimento pode permitir uma pequena infiltração nas
juntas, mas no presente estudo foi considerado como um pavimento impermeável. Neste
projeto, a drenagem nesse pavimento dar-se-á por meio de um sistema convencional
composto por canaletas localizadas ao longo de toda via de rodagem e posicionadas na
interseção entre as vagas de estacionamento e a via de rodagem, com finalidade de
recolher todo o escoamento superficial gerado e direcioná-lo para 04 (quatro) caixas de
passagem. Estas caixas serão drenadas por galeria circular até uma trincheira de drenagem
principal, localizada no limite do terreno do estacionamento, paralela à Rua Muniz de
Aragão, conforme mostrado na Figura 15.
Parte da água precipitada será absorvida através das juntas de areia entre os blocos
intertravados, essa absorção será considerada utilizando o coeficiente de runoff
recomendado para esse tipo de superfície, conforme veremos detalhadamente no item
5.3.2.
38
Inicialmente, todo o sistema de drenagem convencional foi dimensionado com
uso de planilha eletrônica elaborada para execução de cálculos hidráulicos de sistemas de
redes de drenagem de águas pluviais. utilizando os conceitos vistos no item 3.2.1.
Primeiramente, foi definida a chuva de projeto de acordo com a região e tempo de
recorrência indicado, que será detalhadamente explicado no item 5.3.1; depois, para cada
trecho de calha, foram identificadas as áreas de contribuição, coeficientes hidráulicos e
tempo de concentração. Foi utilizado o Método Racional (Equação 3.1) para o cálculo da
vazão de projeto da área e com o auxílio da Equação de Manning (Equação 5.1) foi
definida a altura da calha, de acordo com sua largura e sua declividade, para que a seção
suporte a vazão de projeto do trecho.
𝑣 =1
𝑛∙ 𝑅
2
3 ∙ 𝑆1
2 (5.1)
Para exemplificar, é apresentado o dimensionamento da canaleta C4. A chuva de
projeto definida possui intensidade de 147,9 mm/h (detalhado no item 5.3.1). O trecho
possui uma área de contribuição de 409,5 m², declividade de 0,5%, coeficientes
hidráulicos de 0,78 para Runoff e 0,016 para Manning, (detalhado no item 5.3.2) e tempo
de concentração de 12 minutos. Utilizando o Método Racional, podemos calcular uma
vazão de projeto de 0,0131 m³/s e com a Equação de Manning podemos calcular uma
velocidade de escoamento na canaleta de 0,72 m/s e posteriormente, multiplicando a
velocidade pela área da seção (altura de 15 cm e largura de 20 cm), obtemos uma vazão
de escoamento de 0,0218 m³/s. Como a vazão suportada pela canaleta é maior que a vazão
de projeto, temos uma altura que suporta todo o volume precipitado pela chuva de projeto.
A Tabela 1 reúne informações utilizadas para dimensionamento da canaleta C4.
39
Tabela 1: Informações para dimensionamento da canaleta C4.
CANALETA TRECHO
(m)
ÁREA
(m)
S
CANALETA (m/m)
tc
(min)
i (mm/h) Q
PROJETO (m³/s)
V CANALETA
(m/s)
Q
CANALETA (m³/s)
C4 65,00 409,50 0,005 12 147,90 0,0131 0,7266 0,0218
Posteriormente, o sistema foi reavaliado com uso de ferramenta computacional
para simulação hidrológico-hidrodinâmica, a fim de avaliar o funcionamento da rede
durante um evento de chuva com maior duração.
40
Figura 15: Estacionamento Noroeste com Pavimento Convencional (planta DES-AQF2015-XX-02)
Canaleta C.1
Canaleta C.3
Canaleta C.4
Canaleta C.2
DESCARGA D’ÁGUA
41
Vias e vagas
Preconizou-se, no projeto, que as vias e vagas fossem construídas com o
pavimento de concreto intertravado, também conhecidos como blockets (Figura 16).
As vagas de estacionamento possuem uma declividade de 2% no sentido
longitudinal, que auxiliam no direcionamento do fluxo às canaletas. A via de rodagem do
estacionamento possui declividade longitudinal de 0,5% e declividade transversal de 2%
nos dois sentidos, a partir de seu eixo central, ou seja, deverá haver um abaulamento da
via de rodagem que direciona o fluxo de água até as respectivas canaletas (uma em cada
lado da via de rodagem).
Figura 16: Exemplo blocos de concreto intertravados (Fonte: http://concretoepiso.com.br)
Canaletas
As canaletas foram projetadas em concreto, com largura de 0,20m e profundidades
que variam entre 0,10m à montante e 0,15m à jusante. Os perfis longitudinais das
canaletas e o nível d’água máximo atingido na simulação com a chuva de projeto adotada
serão apresentados nos capítulos posteriores.
42
Caixas de passagem
Foram propostas 04 (quatro) caixas de passagem, sendo uma para cada canaleta
de drenagem da via de rodagem.
A caixa de passagem é uma estrutura de concreto com dimensões de 0,50 x 0,50
x 0,50 m, que ficará enterrada, sendo responsável por captar as águas drenadas pelas
canaletas do estacionamento, direcionando-as à rede de galeria, através de uma tubulação
de PVC com 300 mm de diâmetro.
Descarga na rede de drenagem
A descarga do estacionamento na valeta de drenagem principal, fica localizada
paralela à via principal (Rua Muniz de Aragão), conforme vemos na Figura 17.
Figura 17: Detalhe da descarga d'água do estacionamento Noroeste
A posição dos dispositivos do estacionamento Noroeste é apresentada na Figura
18Erro! Fonte de referência não encontrada..
43
Figura 18: Corte esquemático do estacionamento Noroeste (planta DES-AQF2015-XX-03)
Canaleta C.4 Canaleta C.3
Canaleta C.2 Canaleta C.1
44
5.2.2. Estacionamento Sudeste – Drenagem com Concreto Permeável
Nessa parte do estacionamento, a drenagem projetada considera uso de um
concreto poroso, desenvolvido pela empresa Lafarge do Brasil e denominado
Hydromedia, com a adoção de um reservatório de brita sob o pavimento.
O sistema Hydromedia consiste de um pavimento de concreto poroso com pelo
menos 20% de espaços vazios, o que faz com que a água de superfície percole diretamente
através do concreto. Esta solução permite a absorção de até 400 litros de água por m² por
minuto (Figura 19).
Figura 19 - Água transpassando o Hydromedia (Fonte: http://www.lafargeholcim.com/hydromedia)
Adotaram-se, no projeto de drenagem deste setor do estacionamento, caixas de
passagem e tubos de PVC com 100 mm de diâmetro, que interligam as vagas de
45
estacionamento construídas com o Hydromedia, para que as mesmas possam atuar como
um sistema único de reservatórios, através do conceito de vasos comunicantes. Essa
configuração visa a otimização do funcionamento do sistema, que atuará como um grande
reservatório de amortecimento e infiltração da água armazenada. A água precipitada sobre
todo a área desse setor do estacionamento, escoada superficialmente, infiltra através do
Hydromedia e é reservada em um subleito escavado e preenchido com brita tamanho 3
ou outro material granular que garanta um volume de vazios de cerca de 40%, valor este
adotado no projeto.
A disposição das vagas e dos dispositivos pode ser visualizada na planta de projeto
mostrada na Figura 20.
46
Figura 20: Estacionamento Sudeste com Pavimento com concreto permeável (planta DES-AQF2015-XX-06)
DESCARGA D’ÁGUA DESCARGA D’ÁGUA DESCARGA D’ÁGUA
47
Vias
Semelhante ao sistema convencional, as vias de rodagem serão construídas com
blocos de concreto intertravado e declividade transversal de 2% nos dois sentidos, sendo
esta suficiente para conduzir a água precipitada até a vaga de estacionamento, enquanto
que a declividade longitudinal da via é nula.
Vagas
As vagas de estacionamento serão pavimentadas com o Hydromedia, assentado
sobre um subleito de drenagem, composto por brita 3. O pavimento permeável terá uma
espessura de 0,10 m, com resistência satisfatória para esse tipo de uso. Imediatamente
abaixo, há o subleito de drenagem, composto por um reservatório com 0,30 m de
profundidade, preenchido com brita 3, que funcionará como reservatório de detenção da
água precipitada sobre o setor do estacionamento. Considerando um volume de vazios de
40%, 0,12 m³/m² estará disponível para receber o volume de águas drenadas para este
reservatório. As vagas de estacionamento construídas com o Hydromedia possuem
declividade nula (Figura 21).
Figura 21: Corte esquemático do estacionamento Sudeste (planta DES-AQF2015-XX-07)
48
Caixa de passagem
O projeto contempla um sistema interligado das vagas por meio de tubos de PVC
de 100 mm de diâmetro, que atuam como vasos comunicantes. Para permitir ligação entre
a parte alta do estacionamento com a parte baixa é prevista a instalação de caixas de
passagem com volume de 0,125m³ (0.50m x 0.50m x 0.50m), que reduz a energia cinética
da água antes de transferi-la para o segundo patamar do sistema (Figura 22).
Figura 22 - Corte da caixa de passagem com canalização (planta DES-AQF2015-XX-07)
Descarga na rede de drenagem
A descarga do estacionamento Sudeste ocorre em três pontos diferentes, através
de um tubo extravasor de PVC com 150 mm de diâmetro (Figura 23).
Figura 23: Detalhe da descarga do estacionamento Sudeste
Podemos ver a posição dos dispositivos do estacionamento Sudeste na Figura 24.
Concreto poroso
Reservatório de brita
Tubo extravasor
Trincheira
49
Figura 24: Corte esquemático do estacionamento Sudeste (planta DES-AQF2015-XX-07)
50
5.3. Estudos Hidrológicos e Hidráulicos
Nessa etapa, coletamos dados hidrológicos que permitam a caracterização
pluviométrica, geomorfológica e as características físicas da bacia de contribuição. Deste
modo podemos determinar tanto a altura do reservatório para armazenar o volume de água
que infiltrará pelo pavimento, quanto a altura da calha para não extravasar para as vagas.
5.3.1. Determinação da Chuva de Projeto
Uma chuva de projeto é um evento hidrológico idealizado, ao qual está associado
um tempo de retorno, que é o tempo médio em que um evento leva para ser igualado ou
superado pelo menos uma vez. Chuvas de projeto são normalmente obtidas a partir das
curvas IDF (Intensidade-Duração-Frequência) construídas a partir de medições ou a partir
de dados de pluviômetros desagregados para durações menores do que um dia.
A Equação de Chuvas Intensas escolhida para realizar o estudo da chuva de
projeto foi definida por Pfafstetter (1982), essa equação foi a mais adequada para chuvas
de grande duração na região estudada.
𝑃𝑃𝑇 = [𝑇𝛼 +𝛽
𝑡𝛾] × [𝑎𝑡 + 𝑏 log(1 + 𝑐𝑡)] (5.1)
Em que, T é o período de retorno do evento (anos), t é a duração do evento (horas),
os parâmetros a, b e c são constantes do posto pluviométrico e os parâmetros α, β e γ, são
definidos de acordo com a intensidade e duração do evento.
51
Para entrada na Equação (5.1), foi considerada a estação da Praça XV, com série
de 14 anos de dados pluviográficos, localizada nas coordenadas geográficas 22°54’ S e
43°10’ W. A escolha dessa estação justifica-se devido ao fato de que o local onde serão
realizados os testes (Ilha do Fundão) assemelha-se ao local da estação, em proximidade
com o mar, altitude e clima.
Para o dimensionamento eficiente do reservatório, precisamos que todo o volume
de chuva contribua e seja confinado no espaço destinado para esse fim; para isso,
utilizamos uma chuva de longa duração, assim teremos uma situação crítica para esse
dispositivo. Na verdade, todo projeto que utiliza reservatórios deve ser dimensionado ou
verificado para uma situação crítica que envolva volumes maiores e não intensidades
maiores de chuva.
Resolvendo a equação, obtêm-se como chuva de projeto para um período de
retorno de 10 anos e duração de 24h um valor de precipitação total de 147,9 mm. Chuvas
com grandes durações tendem a apresentar uma distribuição temporal não constante,
havendo diversas metodologias que buscam reproduzir, na chuva de projeto, uma
distribuição temporal representativa da chuva real.
Neste estudo, foi escolhido Método dos Blocos Alternados (SCS, 1972), para
distribuir a chuva de projeto ao longo do tempo. O método consiste na subdivisão da
chuva de projeto em intervalos de tempo de igual duração. Para cada tempo associado às
durações acumuladas, efetua-se o cálculo dos totais precipitados. Em seguida, calcula-se
por subtração o incremento de precipitação, referente a cada um dos intervalos, e,
finalmente, para que se obtenha o hietograma de projeto, basta reordenar estes
incrementos, de forma que o valor de maior intensidade ocupe o intervalo central do
evento de chuva. Os próximos incrementos, em ordem decrescente, devem ser
52
distribuídos à direita e à esquerda do núcleo central da chuva. A utilização desse método
permite uma avaliação conjunta da ocorrência de um evento de longa duração, capaz de
produzir grandes volumes de escoamento, e de um evento de curta duração, capaz de
gerar maiores intensidades de chuva e, por consequência, maiores picos de vazão em
sistemas com tempos de concentração inferiores à duração total da chuva.
Com objetivo de considerar um evento crítico para um sistema de microdrenagem,
a chuva foi subdivida em 48 intervalos de 30 minutos, resultando em uma precipitação
com um pico de intensidade de 50,2 mm/h. A Figura 25 apresenta o hietograma de projeto
utilizado no processo de modelagem.
Figura 25: Hietograma de projeto, para 10 anos de tempo de retorno
5.3.2. Determinação dos Parâmetros Hidráulicos dos Pavimentos
Para determinar os coeficientes hidráulicos que serão adotados para representar o
comportamento da água no projeto, usaremos os valores recomendados pela RIO-
ÁGUAS.
0
10
20
30
40
50
60
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Alt
ura
de
ch
uva
(m
m)
Tempo (horas)
53
No projeto foram utilizados basicamente três tipos de materiais: asfalto, blocos
intertravados e concreto poroso. Os coeficientes de runoff utilizado para o revestimento
com blocos intertravados, conhecidos também como blockets, e para asfalto seguem as
recomendações da RIO-ÁGUAS, mostrado na Tabela 2, assim utilizamos o valor de 0,78
para blockets e 0,95 para asfalto.
Tabela 2: Coeficiente de escoamento superficial (Adaptado: Instruções técnicas para elaboração de estudos
hidrológicos e dimensionamento hidráulico de dispositivos de drenagem)
Superfícies Faixa de valor para runoff
Asfalto 0,70 - 0,95
Concreto 0,80 - 0,95
Blocket 0,70 - 0,89
Paralelepípedo 0,58 - 0,81
Telhado 0,75 - 0,95
Solo compacto 0,59 - 0,79
Para as vagas com concreto poroso, o runoff é praticamente nulo, pois a água que
precipita sobre ele é inteiramente transmitida para a camada de brita, esta, por sua vez,
possui capacidade de armazenamento de água limitada pelo seu índice de vazios e pela
capacidade de infiltração do subleito.
Para os coeficientes de rugosidade (Manning) utilizados para o escoamento
superficial direto, também utilizamos as recomendações da RIO-ÁGUAS, conforme
mostrado na Tabela 3Erro! Fonte de referência não encontrada..
Tabela 3: Coeficientes de rugosidades adotados para escoamento superficial direto
Superfícies Valores para Manning
Sarjeta de concreto 0,016
Asfalto liso 0,013
Asfalto áspero 0,016
Pavimento de concreto liso 0,013
Pavimento de concreto áspero 0,015
54
5.4. Serviços Geológicos – Geotécnicos
Nesta etapa, prevê-se um estudo de caracterização do material do subleito com a
utilização de ensaios geotécnicos, principalmente para determinação das características
hidráulicas do solo, essencial para considerarmos a infiltração no reservatório.
5.4.1. Características Hidráulicas do Solo
Com o propósito de determinar a capacidade de infiltração do solo e assim definir
as características hidráulicas do sistema permeável, fez-se uso de um infiltrômetro de
duplo anel, também chamado de infiltrômetro de pressão ou infiltrômetro de anéis
concêntricos, aparato bastante utilizado nas medições de capacidade de infiltração.
O aparato é denominado infiltrômetro de duplo anel pelo motivo de ser composto
por dois cilindros de ferro (ou aço) com diâmetros variados, comumente sendo 25 cm o
cilindro menor e 50 cm o cilindro maior. Devem ser instalados concentricamente e com
auxílio de uma marreta para penetração no solo, por isso as bordas inferiores dos cilindros
devem ser finas, em forma de bisel (BERNARDO et al., 2005). É interessante também
fazer uso de um nível de bolha para facilitar o nivelamento de ambos os cilindros, como
ilustra a Figura 26. No presente estudo, os anéis utilizados são de 20 cm de diâmetros
interno (anel menor) e 39 cm de diâmetro externo (maior) e altura de 22 cm.
55
Figura 26: Instalação do infiltrômetro de duplo anel no local de estudo
A leitura é realizada no anel central, que indica a lâmina de água (cm ou mm)
sobre o solo por uma determinada unidade de tempo (min), e a taxa de infiltração é
calculada por meio da Equação (5.2) (FIORI et al. 2010). O anel externo serve para
minimizar as perdas laterais do anel central, de modo a reproduzir uma infiltração o mais
vertical possível (OTTONI, 2005), conforme esquematizado na Figura 27. Segundo
RUBIN et al. (1964), a constante no final da curva de taxa de infiltração é numericamente
igual à condutividade hidráulica saturada do solo, em outras palavras, o limite da curva
de taxa de infiltração para o tempo tendendo ao infinito é igual à condutividade hidráulica
saturada do solo.
𝐾𝜃 = 60 ×𝐼
Δ𝑡× ln
ℎ0
ℎ𝑡 (5.2)
Onde:
56
Kθ é a condutividade hidráulica do solo saturado (ou taxa de infiltração, ou ainda
considerada permeabilidade), em mm/h;
I é a profundidade do anel no solo, em mm;
Δt é o intervalo de tempo do ensaio, em min;
h0 é o nível inicial da água, em mm; e
ht é o nível de água, em mm, no tempo t.
Para o presente estudo, realizaram-se dois ensaios, um à superfície do solo com
os anéis cravados até uma profundidade de 10 cm e outro até uma profundidade de 44
cm. Assim, foi possível trabalhar com a condutividade hidráulica do solo saturado a uma
profundidade máxima de 44 cm. Aronovic (1955) e Shull (1964) demonstram que, por
obstrução hidráulica, as taxas de infiltração decrescem à medida que a profundidade de
cravação do anel é aumentada, corroborando os resultados encontrados. Erro! Fonte de
referência não encontrada.A Tabela 4Erro! Fonte de referência não encontrada.
apresenta os resultados obtidos nos ensaios de infiltração realizados à superfície e a
Tabela 5 apresenta os resultados obtidos nos ensaios de infiltração uma profundidade de
44 cm, enquanto que a Figura 30 e a Figura 31 mostram os gráficos das curvas de
infiltração do solo da superfície e em profundidade de 44 cm, respectivamente. A
localização do ponto onde o teste foi realizado fica em frente ao prédio do CT-2
(Fundação COPPETEC), local onde será implantado o pavimento permeável, cujas
coordenadas UTM são 681.557m E e 7.470.505m S.
Figura 27: Esquema de um infiltrômetro de anel, aparato utilizado para medir a taxa de infiltração dos solos
(Fonte: ZUQUETTE E PALMA, 2006)
57
Tabela 4: Dados obtidos em ensaio de condutividade hidráulica realizado à superfície do solo, ponto
localizado na frente do CT-2
Tabela 5: Dados obtidos em ensaio de condutividade hidráulica realizado à profundidade de 44 cm, ponto
localizado na frente do CT-2
A Figura 28 e a Figura 29 ilustram a realização do ensaio de infiltração à superfície
e a profundidade de 44 cm respectivamente.
58
Figura 28: Teste de infiltração realizado no local do projeto, com infiltrômetro de duplo anel na superfície do
solo
Figura 29: Teste de infiltração realizado no local do projeto, com infiltrômetro de duplo anel à profundidade
de 44 cm
59
Figura 30: Gráfico do ensaio de infiltração na superfície do solo
Figura 31: Gráfico do ensaio de infiltração na profundidade de 44 cm
R² = 0,3849
0
5
10
15
20
25
30
35
0 50 100 150 200
Taxa
de
Infi
ltra
ção
(m
m/h
)
Tempo de duração do teste (min)
Curva de Infiltração - Superfície
Curva de Infiltração Logaritmo (Curva de Infiltração)
R² = 0,80660,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Taxa
de
Infi
ltrç
ão (
mm
/h)
Tempo de duração do teste (min)
Curva de Infiltração - 44 cm
Curva de Infiltração Logaritmo (Curva de Infiltração)
60
A grande diferença no R² de ambas as curvas se deve a variação de h0 ocorrida no
ensaio à superfície, diferentemente do ensaio na profundidade de 44 cm em que se
manteve mais constante. De fato, a metodologia adotada para o ensaio à superfície foi
diferente do ensaio na profundidade de 44 cm. No ensaio à superfície, preencheu com
água ambos os anéis a cada variação de Δh máxima de 1,0 cm, independente do tempo
percorrido; todavia, devemos frisar que esse preenchimento ocorreu sempre nos
momentos iniciais da leitura seguinte. No segundo ensaio, a carga hidráulica manteve-se
constante em toda leitura, ou seja, cada Δt pré-determinado, os anéis foram preenchidos
com água a partir da leitura anterior. Independente da metodologia, atingida a saturação
do solo, a taxa de infiltração fica constante.
A partir dos resultados com os ensaios de infiltração, os valores de taxa de
infiltração na superfície e a 44 cm de profundidade foram, respectivamente, cerca de 17,5
mm/h e 12,2 mm/h, sendo este último adotado como condutividade hidráulica do solo
saturado (ou permeabilidade) para fins de projeto, por estar na profundidade tida como
desejada. Segundo TERZAGHI et al. (1996), a permeabilidade desse solo não é boa, pois
encontra-se abaixo da faixa de 10-5 a 10-6 m/s. Essa informação aumenta a importância
do tamanho do reservatório de brita e pode trazer algum problema operacional no seu
esvaziamento, podendo ser crítico em eventos sucessivos. Esse teste também confirma a
importância de se utilizar um evento mais longo como referência para o
dimensionamento.
61
5.5. Projeto de Drenagem
Para avaliar o funcionamento de cada estrutura hidráulica principal dos
estacionamentos Noroeste e Sudeste, foram simuladas as condições de projeto no modelo
computacional MODCEL (MASCARENHAS E MIGUEZ, 2002). Para tal, o
estacionamento foi dividido em um conjunto de células com características hidráulicas
homogêneas, em que cada célula é composta por coeficientes hidráulicos, características
geométricas e topográficas.
5.5.1. Escolha do Modelo
O MODCEL é um modelo Hidrodinâmico Quasi-2D que representa canais e
superfícies inundáveis, que trocam de água entre si, por uma rede no plano horizontal
onde os caminhos são pré-definidos, interligada a uma rede subterrânea, de drenos ou
galerias. Ou seja, esse modelo permite a visualização de um escoamento em uma área
bidimensional, com relações de troca também na vertical, embora modelado apenas por
equações em 1D. Desta forma, a simulação funciona bem, não somente quando o
escoamento está dentro da calha do rio ou galeria, mas também quando a estrutura de
drenagem transborda para as planícies marginais. Para o uso de um modelo Quasi-2D, é
necessário discretizar a planície de inundação em células de escoamento. Tais células são
compartimentos homogêneos que funcionam de forma integrada, comunicando-se apenas
por leis hidráulicas unidimensionais clássicas (ZANOBETTI, 1968).
62
5.5.2. Modelagem Computacional
Para a representação das diferentes concepções de funcionamento dos
estacionamentos, foram feitas 273 células, sendo 51 células para representar o
estacionamento com pavimento de blocos intertravados, 198 células para representar o
pavimento com concreto poroso e 24 células complementares representando desde o
sistema de microdrenagem até a água escoada para o subsolo.
5.5.3. Dimensionamento do Estacionamento Noroeste
Nesse estacionamento, foram utilizadas células do tipo “reservatório” tanto para
os grupos de vagas quanto para os grupos de vias. Esse tipo de célula consegue representar
a variação de profundidades e consequentemente a variação do volume armazenado. No
caso das vagas, essa capacidade é importante para a representação da variação de
declividade das vagas, e, nas vias, consegue representar a transição da calha para a via de
rodagem.
A interação entre as células foi feita a partir de diferentes tipos de ligações, entre
elas estão:
Ligação de Vertedouro: Esta ligação, que representa o vertimento por
transbordamento do rio ou canal para a planície e entre células da planície
em locais onde barreiras físicas formam fronteiras, que passam a funcionar
como vertedouros, utiliza a fórmula clássica deste tipo de estrutura, livre
ou afogada. Essa ligação foi utilizada para representar o vertimento da
vaga para a calha.
63
Ligação de Planície: Corresponde ao escoamento à superfície livre sem
termos de inércia, sendo usual na ligação entre quadras alagadas, podendo
representar o escoamento através das ruas. Essa ligação foi utilizada para
representar o escoamento entre as vias e entre as vagas.
Ligação de Orifício - Para este tipo de ligação, utiliza-se a relação clássica
do escoamento em orifícios. Essa ligação foi utilizada para representar o
fluxo da calha para a caixa de passagem.
Ligação de Galeria: Esta ligação responde pelo escoamento em galerias
inicialmente ocorrendo à superfície livre e evoluindo para possível
escoamento sob pressão, a partir da verificação, passo a passo, do
afogamento da galeria. Vai-se desenvolver aqui uma relação para a vazão
entre células de galeria, considerando escoamento sob pressão. Essa
ligação foi utilizada para representar o escoamento em tubulação fechada,
entre as caixas de passagem.
A Figura 32, Figura 33 e a Figura 34 ilustram detalhes sobre a interação entre as
células e a configuração final da divisão de células do estacionamento Noroeste.
64
Figura 32: Divisão de células do estacionamento Noroeste
DESCARGA D’ÁGUA
65
Figura 33: Detalhes das ligações da célula 502
Figura 34: Corte esquemático com a concepção das células.
Para avaliação do comportamento hidráulico das canaletas, localizadas no
estacionamento, são apresentados gráficos do perfil longitudinal das mesmas. Os gráficos
estão ilustrados desde a Figura 35 até a Figura 38. A observação da linha d’água mostra
que as canaletas possuem capacidade hidráulica para drenar a chuva de projeto, tomada
com 24h de duração.
66
Figura 35: Perfil da Canaleta C1. Esta canaleta fica localizada na parte baixa do estacionamento Noroeste. A
linha “vertedor” significa a cota de extravasamento da canaleta para a via de rodagem
Figura 36: Perfil da Canaleta C2. Esta canaleta fica localizada na parte baixa do estacionamento Noroeste. A
linha “vertedor” significa a cota de extravasamento da canaleta para a via de rodagem
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
0 10 20 30 40 50 60
Distância (m)
Canaleta C1
Cota Fundo
NA máx
Vertedor
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
0 10 20 30 40 50 60
Distância (m)
Canaleta C2
Cota Fundo
NA máx
Vertedor
67
Figura 37: Perfil da Canaleta C3. Esta canaleta fica localizada na parte alta do estacionamento Noroeste. A
linha “vertedor” significa a cota de extravasamento da canaleta para a via de rodagem
Figura 38: Perfil da Canaleta C4. Esta canaleta fica localizada na parte alta do estacionamento Noroeste. A
linha “vertedor” significa a cota de extravasamento da canaleta para a via de rodagem
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2
2,1
0 10 20 30 40 50 60
Distância (m)
Canaleta C3
Cota Fundo
NA máx
Vertedor
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2
2,1
0 10 20 30 40 50 60
Distância (m)
Canaleta C4
Cota Fundo
NA máx
Vertedor
68
5.5.4. Dimensionamento do Estacionamento Sudeste
Nesse estacionamento, foram utilizadas células do tipo “reservatório” para as vias,
para representar a variação de profundidade. Paras as vagas foram utilizadas células do
tipo “planície natural”, considerando a cota do subleito como cota de fundo e reduzindo
a capacidade de armazenamento de água para 40% do total, a capacidade de
armazenamento do reservatório de brita é limitada pelo seu índice de vazios. Note que
apesar do nome “planície natural”, derivado do uso original do modelo para representação
espacial de bacias maiores, esta célula tem um formato prismático e se adequa aos
objetivos aqui propostos. Quem determina o uso do solo sobre a célula prismática de
“planície natural” é, de fato, o coeficiente de runoff utilizado.
Nas vagas, a infiltração da água foi representada incluindo uma ligação do tipo
“Bombeamento”, onde, após determinada a vazão de água que irá percolar para o subsolo,
obtida a partir das informações coletadas com o infitrômetro de duplo anel conforme visto
no item 5.4.1, esta vazão é retirada para fora da célula por esta ligação.
A interação entre as células foi feita a partir de diferentes tipos de ligações, entre
elas estão:
Ligação de Vertedouro: Essa ligação foi utilizada para representar o
vertimento da via para o reservatório da vaga.
Ligação de Planície: Essa ligação foi utilizada para representar o
escoamento entre as vias e entre as vagas.
Ligação de Orifício - Essa ligação foi utilizada para representar o fluxo da
água do reservatório da vaga, quando este estiver cheio, para o sistema de
69
microdrenagem, na parte superior do reservatório, impedindo o
afloramento na própria vaga.
Ligação de Bombeamento – Esta ligação representa a saída de uma vazão
constante pré-determinada de uma célula para sua vizinha, sempre em um
único sentido pré-definido, a partir do momento em que uma dada cota de
controle é atingida. Essa ligação foi utilizada para representar a infiltração
da água da vaga para o lençol freático. Essa é uma adaptação possível da
lógica original da ligação de bombeamento. De fato, aqui, não há nenhuma
bomba envolvida – é apenas uma interpretação.
A Figura 39 e a Figura 40 ilustram detalhes sobre a interação entre as células e a
configuração final da divisão de células do estacionamento Sudeste.
Figura 39: Detalhes das ligações da célula 203
70
Figura 40: Divisão de células do estacionamento Sudeste
DESCARGA D’ÁGUA DESCARGA D’ÁGUA DESCARGA D’ÁGUA
71
Para avaliação da profundidade necessária para o subleito de brita, presente nas
áreas revestidas com o concreto poroso Hydromedia, é apresentado um gráfico com os
níveis máximos ocorridos durante a simulação com o MODCEL.
Para melhor visualização, o gráfico (Figura 42) é apresentado em 04 grupos de
células, semelhantes de acordo com sua localização e comportamento hidráulico. Assim,
cada faixa do estacionamento foi agrupada para apresentação da profundidade de água
alcançada em seu subleito, uma vez que esse conjunto de vagas funcionará como um
grande reservatório preenchido de brita, instalada logo abaixo do pavimento permeável.
Na Figura 41 é possível observar essa divisão, onde os grupos P1.1 e P1.2 referem-se à
primeira e segunda linha de vagas com Hydromedia, localizadas no platô inferior (mais
baixo), e os grupos P2.1 e P2.2 referem-se à terceira e quarta linha de vagas com
Hydromedia, localizadas no platô superior (mais alto).
Figura 41: Esquema de planta baixa com os grupos de estacionamento indicados.
72
Figura 42: Gráfico de barras indicando o alcance máximo da lâmina d'água durante a simulação do sistema,
já considerando a presença da brita de preenchimento no reservatório.
5.5.5. Comparação entre os dois sistemas de drenagem modelados
Como principal forma de se analisar os dois sistemas de drenagem – Pavimento
de Blocos Intertravados com calhas coletoras e Pavimento Permeável com reservatórios
de brita – foram comparados os hidrogramas efluentes de cada sistema, lançados na valeta
externa de drenagem em frente ao estacionamento. A Figura 43 apresenta os hidrogramas
lançados na linha de drenagem exterior ao estacionamento, resultantes da simulação dos
sistemas com a chuva de projeto (TR10 anos).
Houve uma redução significativa do pico de vazão e do volume de água
extravasado para a calha principal da rua. O sistema com pavimento permeável reduziu
cerca de 44,07% o pico de vazão e o volume extravasado foi de 79,60 m³ no sistema com
pavimento permeável e 214,83 m³ no sistema com pavimento convencional, chegando a
uma redução de 62,95%.
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
P 1.1 P 1.2 P 2.1 P 2.2
Lâm
ina m
áx
ima d
e ág
ua (
m)
Grupo de células
Níveis máximos no subleito Hydromedia
73
Figura 43: Vazões de contribuição dos estacionamentos ara a calha principal da rua
Para efeitos de comparação, três novos cenários foram simulados. Neles, as alturas
do reservatório de brita utilizadas foram de 40 cm, 50 cm e 60 cm, aumentando a
escavação em todo estacionamento Sudeste. Os resultados desses novos cenários estão
apresentados na Tabela 6 e na Figura 44.
Tabela 6: Comparação de vazões em cada cenário.
Cenários Volume
máximo (m³) Vazão máxima
(m³/s) Redução do
Volume Redução do
Pico
Pavimento Convencional 214,83 0,0399 - -
Reservatório (30 cm) 79,60 0,0223 62,95% 44,07%
Reservatório (40 cm) 44,54 0,0130 79,27% 67,39%
Reservatório (50 cm) 15,90 0,0055 92,60% 86,21%
Reservatório (60 cm) 0,02 0,0000 99,99% 100,00%
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
0,045
0 6 12 18 24
Vaz
ão (
m³/
s)
Tempo (horas)
Comparação de Vazões
PavimentoIntertravado
Concreto Poroso -Hydromedia
74
Figura 44: Vazões nos cenários para diversas alturas de reservatório
Vemos que o incremento de 30 centímetros na escavação do subleito do
estacionamento Sudeste consegue anular a vazão lançada na rede de microdrenagem, mas
estudos de viabilidade econômica devem ser realizados para embasar essa decisão.
O reservatório demora para esvaziar, considerando a taxa de infiltração do solo
definida nos ensaios, cerca de 10h27 para o reservatório de 30 cm, 14h02 para o
reservatório de 40 cm, 17h37 para o reservatório de 50 cm e 19h23 para o reservatório de
60 cm. Esses são valores aceitáveis depois de uma chuva de 24h em solos com essa taxa
de infiltração.
O sistema com pavimentos permeáveis se mostrou altamente eficiente como
alternativa de retenção de águas de chuva podendo ser empregado em regiões com o
sistema de drenagem deficitário. Os resultados da modelagem mostraram excelente
capacidade de retenção de volume e amortecimento de vazões que seriam lançados no
sistema de drenagem.
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
0,045
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Vaz
ão (
m³/
s)
Tempo (horas)
Comparação de Vazões
Pavimento Intertravado
Reservatório (30 cm)
Reservatório (40 cm)
Reservatório (50 cm)
Reservatório (60 cm)
75
6. CONCLUSÕES
Esse estudo mostra a eficiência de pavimentos feitos de concreto poroso,
acoplados a reservatórios de brita, em relação a pavimentos de concepção convencional.
Um projeto prático, previsto para o estacionamento do prédio do CT2, na cidade
universitária, foi desenvolvido, considerando estas duas opções de pavimento, e seus
resultados foram comparados.
O projeto foi primeiro desenvolvido de forma conceitual, um pré-projeto foi feito
manualmente e o projeto foi testado e refinado através de modelagem matemática.
Os resultados obtidos conseguem quantificar a relação do volume de água
precipitada retida no reservatório de brita, escoado superficialmente e o retardo da
chegada do pico de vazão no sistema de microdrenagem.
Com esses resultados, torna-se possível estimar a diminuição do volume escoado
em uma bacia hidrográfica, caso o sistema de pavimentos permeáveis fosse amplamente
difundido. Apesar de ter uma resistência mecânica aquém dos pavimentos rígidos e
asfálticos, os pavimentos porosos podem ser usados em vias para pedestres,
estacionamentos e vias de tráfego leve de veículos.
Estacionamentos com áreas descobertas são grandes geradores de escoamento
superficial, se juntarmos estacionamentos de supermercados, shoppings, condomínios e
praças, soma-se uma área significativa dentro de uma bacia urbana. Com uma redução
entre 63% a 100% do volume de contribuição, conforme visto nos resultados, o
dimensionamento e, consequentemente, o custo da rede de microdrenagem, reduziria
significativamente.
76
Talvez a adoção de incentivos fiscais, por parte do poder público, para empresas
que produzam o sistema de pavimentos permeáveis, tornasse o custo da construção mais
atrativo, além do retorno de consumo promovido pelo marketing ambiental.
Nesse sentido, pode-se dizer que ter-se-ia uma relação ganha-ganha, onde as
empresas ganham publicidade positiva e os gastos extras em construir esse sistema se
equilibrariam com o incentivo fiscal dado pelo poder público, os gestores públicos
ganhariam, pois poderiam economizar no dimensionamento e no custo do sistema de
drenagem, a população ganharia com a redução do volume escoado e consequentemente
com a redução de inundações, e o meio ambiente ganharia pois a solução de drenagem se
aproximaria dos padrões de escoamento natural, permitindo a infiltração de parte da água,
parte fundamental no ciclo hidrológico.
Outra contribuição importante desse trabalho é mostrar uma forma pouco usual
para dimensionamento do subleito de brita, que funciona como reservatório, utilizando a
modelagem computacional. A modelagem e simulação computacional permitem uma
antevisão do futuro de um sistema e uma avaliação da evolução do mesmo ao longo do
tempo, além de permitir analisar o potencial de resposta frente a cenários diversos.
Como complementação do trabalho realizado, sugere-se a aplicação dos
resultados obtidos nesse estudo na avaliação de resultados que seriam obtidos pela
implantação de pavimentos permeáveis nas áreas de estacionamento de toda uma bacia
urbana, para mensurar o impacto dessa medida no sistema de macrodrenagem.
Há também a necessidade de se aprimorar as técnicas de caracterização dos
pavimentos permeáveis e aumentar as informações sobre os materiais utilizados, como
custos de implantação, durabilidade, resistência, eficiência e análise do ciclo de vida dos
materiais com a complementação de estudos de impacto ambiental.
77
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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