Sistemas flexíveis para redução de risco contra acidentes geotécnicos, estado atual das aplicações no Brasil.

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1 Sistemas flexíveis para redução de risco contra acidentes geotécnicos, estado atual das aplicações no Brasil. Felipe Gobbi, D. Sc. Geobrugg AG, Rio de Janeiro, Brasil, RESUMO: O presente trabalho trata de uma atualização de um artigo técnico publicado no COBRAMSEG 2012, com a apresentação de estruturas flexíveis contra queda de rochas e fluxo de detritos. São apresentados: o histórico, as condicionantes de projeto e as considerações de dimensionamento para estas duas estruturas, que atualmente já possuem extensão aproximada de 15km de instalações no Brasil. Exemplos de aplicação no Brasil são apresentados. PALAVRAS-CHAVE: Queda de Blocos, Barreiras de Impacto, Taludes Rochosos, Soluções de Convivência, Trajetória de Blocos. 1 INTRODUÇÃO A humanidade experimenta desde o seu início as consequências trazidas pelos acidentes geotécnicos. Embora o estudo da geotecnia seja relativamente recente, do início do século XX tendo Karl Terzaghi como seu principal precursor, as obras de terra são tão antigas quanto à própria existência humana (Leroueil e Hight, 2003). Da mesma forma as medidas de proteção contra desastres naturais datam de antes do início da mecânica dos solos, como as proteções contra avalanches cujo registro pode ser tão antigo quanto o século XVI. As estruturas de prevenção contra queda de rochas têm como um dos primeiros registros conhecidos a citação no livro de Road Construction de AHLBURG (1870, 315), conforme citado por Spang, E as barreiras flexíveis contra queda de rochas foram utilizadas pela primeira vez na Suiça na década de 50 do século passado, a partir da qual se deu início ao desenvolvimento destas estruturas e uso como medida de proteção contra queda de rochas naquele país sendo então difundida internacionalmente. Pesquisas recentes resultaram na concepção de novas barreiras flexíveis, contra fluxo de detritos e também contra escorregamentos superificiais o que indica um rumo com grande potencialidade do uso de medidas de proteção em locais onde a estabilização não é aplicável/viável. Amplamente utilizadas na Europa, na América do Norte e no Oriente, especialmente após os anos 80 e 90, a primeira aplicação de barreiras flexíveis certificadas contra queda de rochas no Brasil ocorreu em 2010, na cidade de Santos, SP. Desde então, 126 linhas de barreira flexíveis já foram instaladas no Brasil, sendo 18 contra fluxos de detritos, 4 contra escorregamentos superificiais e 124 contra queda de rochas, totalizando aproximadamente 15km de extensão destas estruturas. Embora todos os tipos de barreiras flexíveis sejam visualmente semelhantes, por utilizarem os mesmos elementos (rede de anéis, cabos, postes e elementos de frenagem), as barreiras contra os diferentes tipos de acidentes geotécnicos (queda de rochas, fluxo de detritos ou escorregamentos superficiais) estão sujeitas a diferentes condições de carregamento, logo possuem diferentes metodologias de dimensionamento, resultando obviamente em diferentes configurações estruturais dos sistemas. O presente trabalho apresenta as aplicações destas estruturas no Brasil, dando ênfase nos critérios importantes a serem considerados em projeto e apresentando alguns casos locais. O item 2 deste artigo é destinado a apresentação das barreiras de proteção contra queda de rochas, o item 3 apresenta as barreiras de proteção contra fluxos de detritos, já no item 4 é indicada a localização de instalação das barreiras ao longo do Brasil 2 BARREIRAS CONTRA QUEDA DE ROCHAS 2.1 Histórico

2 A primeira aplicação de barreiras dinâmicas composta por malha de cabos de aço foi realizada em 1951, com a finalidade de prevenção contra avalanches no vale Engadine, na Suiça, fabricada pelo grupo Brugg a pedido do governo Suiço. Estas estruturas ficavam submetidas a eventos de queda de rochas fora da estação de neve. Já a primeira barreira dinâmica contra queda de rochas foi construida em 1958 em Brusio, no Sul da Suiça, fabricada pelo grupo Brugg. Em 1959 foi construída a segunda barreira contra queda de rochas, próxima a Ardez, Suiça. Ambas as barreiras foram construídas sobre muros de contenção. Naquela época já haviam métodos de dimensionamento para avalanches entretanto não haviam métodos específicos para queda de rochas, logo, a máxima capacidade de retenção de energia destes sistemas não era conhecida. O primeiro conjunto sistemático de testes foi realizado em 1962, em Brunnen, no lago Lucerne, foram realizados testes com blocos de 52kg em queda livre de 45m de altura, e a estrutura testada reteve os eventos sem danos expressivos, entretanto as energias envolvidas no teste eram baixas. (Spang, R., 2001) Em 1968 testes com blocos de 1 ton. em um talude natural foram realizados. As energias envolvidas no processo ainda eram baixas, então, destes conjuntos de testes os engenheiros e cientistas envolvidos perceberam que o aumento desejado na capacidade de retenção de energia, expressa pelo trabalho realizado pelo impacto da queda de rochas na estrutura de retenção, passaria pelo aumento do deslocamento máximo concedido pela estrutura. O alongamento dos cabos de aço na ruptura (2,5% a 3%) não eram suficientes para que fossem obtidos estes incrementos nos deslocamentos, foi dado então início ao desenvolvimento dos elementos de freagem. E desde então os sistemas de queda de rocha sofreram grandes desenvolvimentos. Atualmente, no campo de testes em Walenstat/Suiça, sistemas de quedas de rochas de até kJ já foram certificados e possibilitam a retenção de impactos de 32 toneladas a 90km/h, por exemplo. 2.2 Metodologia construtiva Quedas de rochas consistem em eventos dinâmicos, desta forma, os sistemas de proteção contra estes eventos devem estar preparados para estes tipos de solicitações. As barreiras contra queda de rochas consistem em um conjunto de elementos que trabalham de forma harmônica de modo a reter as energias de impacto de queda de blocos. A figura abaixo mostra sucintamente uma barreira da GEOBRUGG em um campo de testes e em detalhe alguns dos elementos que constituem a estrutura e garantem sua funcionalidade. Os postes (1) são projetados de forma a garantir o posicionamento da barreira e, além disso, garantir a passagem dos cabos dando flexibilidade ao sistema e garantido a mobilização de todos os elementos; os anéis de freio (2 estado inicial e após acionamento) consistem em dispositivos do tipo gatilho que são mobilizados quando a energia se aproxima da máxima energia do sistema, então o acionamento destes proporciona um aumento dos deslocamentos e a redução das cargas atuantes, protegendo cabos e ancoragens. Figura 1: vista dos elementos da barreira contra queda de rochas. Havendo a mobilização destes anéis de freio (apenas em eventos próximos a capacidade máxima da barreira) os mesmos são facilmente substituidos e o sistema retorna a sua capacidade nominal; (3) a malha de anéis

3 consiste em um elemento de elevada resistência e deformabilidade, que garante uma grande dissipação de energia e garantia para estabilização das cargas estáticas pós evento. Desta forma as barreiras consistem em kits para determinada classe de energia, fornecidos especificamente pelo fabricante, uma vez que, devido à complexidade da distribuição das cargas neste sistema flexível, a funcionalidade dos mesmos deve ser determinada em testes em escala real. 2.2 Metodologia de projeto Quanto à metodologia de projeto três etapas são apresentadas: (1) entendimento do fenômeno, (2) determinação das condicionantes de carregamento e níveis de energia e (3) escolha da barreira. Entendimento do fenômeno Quedas de rochas são geralmente iniciadas por fatores climáticos ou biológicos que causam mudanças nas forças atuantes na rocha. Estes eventos incluem, aumento de poro-pressão em eventos de precipitação pluviométrica, erosão do material no entorno dos blocos de rocha, processos de gelo e degelo, degradação química ou intemperismo da rocha, crescimento de raízes nas fraturas ou ainda a ação dos ventos em árvores cujas raízes se encontram nesta posição. (Hoek, 2006). Uma vez dado início ao movimento de queda de rochas, os fatores mais importantes são a geometria do talude e as características dos materiais presentes neste talude e do bloco em movimento. Vários parâmetros influenciam na resposta do bloco a cada impacto no talude, o principal parâmetro é o coeficiente de restituição. O coeficiente de restituição é a relação entre as velocidades de incidência e saída do bloco contra uma outra superfície. Os valores dos coeficientes de restituição dependem da natureza dos materiais na superfície de impacto. Superfícies de rocha sã possuem coeficientes de restituição mais elevados do que solo ou rocha alterada. É de fundamental importância a separação entre queda de rochas, instabilidades de taludes ou fluxo de detritos. As quedas de rochas consistem em eventos onde blocos/lascas ou outros fragmentos de rocha, se desprendem do maciço e entram em movimento. Sendo a estrutura de proteção contra queda de rocha apta para a retenção destes blocos a determinada velocidade. Em casos de instabilidades de taludes ou fluxo de detritos, sistemas de proteção podem ser utilizados, entretanto a natureza do carregamento é completamente diferente, basicamente as velocidades tendem a ser inferiores e as massas envolvidas no processo muito superiores. Sendo assim, o comportamento estrutural das barreiras é completamente diferente, e as mesmas devem ser dimensionadas e testadas para estas condições de carregamento, não sendo válida a utilização de barreiras para queda de rochas analisando-se apenas a energia máxima de retenção. Determinação das condicionantes de carregamento e níveis de energia Para a determinação das condicionantes de carregamento e dos níveis de energia em determinado evento de queda de rocha os dados de entrada principais são: Geometria do talude; Mapeamento geológico com enfoque em posição e tamanho de blocos de rocha em áreas classificadas como áreas fonte, ou seja, área de onde possivelmente os blocos se desprenderão; Coeficientes de restituição e demais parâmetros dos materiais do talude; Histórico de eventos passados. A determinação das trajetórias e energias de impacto em quedas de rochas podem ser realizadas utilizando análises de queda de rochas, através do uso de softwares comerciais. Desta simulação se obtêm as energias envolvidas no processo e as alturas de impacto dos blocos. A Figura abaixo apresenta um exemplo de dimensionamento:

4 Figura 2:(1) trajetórias de quedas de rocha, cada linha vermelha indica um bloco, (2) energia cinética total versus posição em x, (3) altura de impacto verus posição em x. No primeiro gráfico é representada a trajetória dos blocos cuja queda foi simulada, o segundo gráfico apresenta a distribuição das energias em relação à distância percorrida pelos blocos, enquanto que o terceiro gráfico representa as alturas de impacto em relação à distância percorrida pelos blocos. Após esta análise inicial é decidido o ponto de instalação da barreira e então nova simulação é realizada e os dados referentes a todos os impactos simulados são analisados para a posição específica da barreira. Escolha da barreira Para a escolha da barreira dinâmica a ser empregada na mitigação de queda de rochas deve ser verificada a classe de energia obtida na simulação de queda de rochas. É importante salientar que a simulação de queda de rochas deve ser realizada estritamente para reproduzir este fenómeno, extrapolação das simulações para representar massas de solo e rocha ou até fluxo de detritos levam a resultados irreais. Conforme mencionado anteriormente às barreiras consistem em kits fornecidos pelos fabricantes para determinadas classes de energia. Logo não é realizado pelo projetista uma verificação estrutural da barreira, sendo que a mesma não é trivial dada a dificuldade de uma solução analítica que reproduza de forma fiel um problema de uma estrutura tão flexível onde a principal variável a ser determinada é a dissipação de energia. Desta forma é reconhecida internacionalmente a necessidade de certificação destas estruturas em testes em escala real, realizados por entidades independentes aos fabricantes dos sistemas. Atualmente duas certificações são disponíveis no mundo: a mais antiga e mais rigorosa é a do Federal Office of Environment (FOEN) do governo Suiço ( mais recentemente foi criada a certificação da comunidade europeia, denominada European Technical Approval (ETA) emitido pela European Organization for Technical Approval (EOTA) Descrição Geral Aplicações no Brasil A primeira instalação de uma barreira certificada contra queda de rochas no Brasil foi realizada no ano de 2010, na cidade de Santos, SP. Esta barreira consistiu em um modelo RXI- 100, com extensão de 104m e 4m de altura. Os elementos de projeto desta barreira podem ser verificados em Wedekin et al (2010), além de estar postado no youtube um vídeo sobre a obra Atualmente, pelo conhecimento deste autor, existem 50 linhas de barreiras instaladas no Brasil, totalizando cerca de 5km de extensão. A distribuição destas soluções pelo país pode ser verificada na Figura 12. Um ótimo exemplo de projeto brasileiro de aplicação desta solução para mitigação contra queda de rochas pode ser verificado em Ehrlich et al (2012) publicado neste mesmo congresso.

5 São apresentadas abaixo algumas fotografias de instalações no Brasil. Figura 3: barreiras na BR 116, km 90, Rio de Janeiro (CRT). Figura 4: Copacabana, Rio de Janeiro, RXI 025. Figura 5: Rota do Sol, Rio Grande do Sul, RXI 100 spec. 2 BARREIRAS FLEXÍVEIS FLUXO DE DETRITOS 2.1 CONTRA Histórico Assim como as barreiras contra queda de rochas tiveram origens em barreiras para prevenção contra avalanches, que foram impactadas por queda de rochas, a motivação da GEOBRUGG para a criação de uma solução flexível contra fluxos de detritos veio da ocorrência de impactos destes eventos em barreiras contra queda de rochas. Em 1996 já haviam sido realizados testes com malhas de anéis para impacto de massas no USGS, em um campo experimental. Entretanto, em 1998 uma barreira RXI 150 contra queda de rochas, instalada em caráter temporário no Japão, reteve um fluxo de detritos de 750m³. No ano 2000 o mesmo ocorreu em um evento na Áustria, onde uma barreira reteve um fluxo de detritos com volume de impacto de 200m³. Conforme mencionado anteriormente estes eventos motivaram o início do estudo da viabilidade do uso de estruturas flexíveis contra fluxos de detritos, originando o primeiro relatório interno de dimensionamento de estruturas flexíveis contra fluxos de detritos, utilizando o programa de elementos finitos FARO, em 2002 (Geobrugg AG, 2002). No ano de 2005 foi iniciado um projeto de pesquisa pela Geobrugg em conjunto com a WSL, que resultou na tese de doutorado da Dra. Corinna Wendeler, hoje chefe do departamento técnico da Geobrugg em Romanshorn, Suiça. Neste estudo foram realizados extensos ensaios de laboratório, simulações numéricas e ensaios de campo em escala real, para que fosse obtida uma adequada compreensão da interação entre o fluxo de detritos e a barreira flexível. Com base nos parâmetros obtidos nos diversos ensaios foi possível a realização de retroanálises dos eventos em escala real, utilizando o programa de elementos finitos FARO (Wendeler et al 2008) Como resultado de todo este processo foi concebida uma rotina de dimensionamento destas estruturas. Atualmente existe um processo de dimensionamento comprovado experimentalmente e passível de ser adotado para o uso de barreiras flexíveis contra fluxos de detritos. De acordo com esta metodologia de dimensionamento existem sistemas padronizados para canais com vãos de até 25m. 2.2 Metodologia de projeto Quanto à metodologia de projeto três etapas

6 são apresentadas: (1) entendimento do fenômeno, (2) determinação das condicionantes de carregamento e (3) escolha da barreira. Entendimento do fenômeno Fluxos de detritos consistem em verdadeiras avalanches de solo, rocha e água, normalmente carreando também árvores e demais detritos que se encontrem no caminho. Segundo Iverson (1997) fluxos de detritos ocorrem quando massas de sedimentos mau graduados, agitados e saturados, escoam sobre os taludes em resposta as forças da gravidade. Tanto os sólidos quanto os fluidos influenciam diretamente no movimento, distinguindo os fluxos de detritos de outro fenômenos, como avalanches de rochas e depósito de sedimentos. A dinâmica dos fluxos de detritos não é trivial, e a abordagem física do fenômeno foge do escopo deste trabalho. Apenas salienta-se da importância da distinção destes, principalmente no que tange ao dimensionamento, a outros fenômenos corriqueiramente abordados em geotécnica como as instabilidades de taludes ou eventos de queda de rochas. Esta distinção é particularmente importante, no caso de sistemas flexíveis, porque tanto as soluções contra queda de rochas como as soluções contra fluxo de detritos são compostas pelos mesmos elementos (malhas, cabos de aço, elementos de frenagem). Entretanto a forma de impacto, logo a mobilização de esforços na estrutura, é completamente diferente nestes casos, o que leva a configurações estruturais distintas destas barreiras. A Figura 7 apresenta duas simulações numéricas com o programa FARO, uma reproduzindo uma queda de rochas e outra reproduzindo um impacto de fluxo de detritos. Sendo assim o dimensionamento de estruturas flexíveis contra fluxos de detritos contempla o impacto das ondas dos fluxos de detritos, em diferentes estágios, até o completo preenchimento da barreira e possível overflow, ou galgamento da estrutura (Figura 8). O método de dimensionamento elaborado para as barreiras flexíveis, com as considerações supracitadas, encontra-se sumarizado em um programa de dimensionamento, disponível na internet através do site Escolha da barreira A escolha da barreira dinâmica contra fluxo de detritos, no presente momento, deve ser realizada diretamente pela verificação realizada no programa de dimensionamento citado no item anterior. Na biblioteca do programa encontram-se as barreiras padronizadas desenvolvidas para este tipo de evento, e as mesmas são verificadas quanto as condições de carregamento impostas, inseridas pelo usuário.

7 Figura 6: comparação entre os eventos de fluxos de detritos e queda de rochas, lado esquerdo simulação numérica, lado direito aplicações reais. Figura 7: Situações de cálculo consideradas no dimensionamento das barreiras flexíveis contra fluxo de detritos (a) primeira onda de impacto, (b) e (c) impactos sucessivos. Parcela de carga estática e parcela de carga dinâmica de impacto representadas pelos diagramas junto as figuras. (Wendeler, 2008) Figura 8: Serra do Piloto, Rio de Janeiro, UX100H4. Aplicações no Brasil A primeira instalação de uma barreira certificada contra fluxo de detritos no Brasil foi realizada no ano de 2011, no estado do Rio de Janeiro. Desde então 6 barreiras já foram instaladas no Brasil, nos estados do Rio de Janeiro e Rio Grande do Sul (Figura 11). São apresentadas abaixo algumas fotografias de instalações no Brasil. Figura 9: Rota do sol, Rio Grande do Sul, VX160H6. Figura 10: Rio Claro, RJ, VX160H6.

8 4 LOCALIZAÇÃO DAS BARREIRAS INSTALADAS NO BRASIL A figura abaixo apresenta a localização das barreiras instaladas no Brasil, desde Adicionalmente é indicado o local de instalação de outras soluções Geobrugg. Figura 11: Localização das soluções Geobrugg instaladas no Brasil, barreiras instaladas nos estados do Rio de Janeiro, São Paulo, Espirito Santo e Rio Grande do Sul (ABGE, 2012). 5 CONCLUSÃO Soluções flexíveis para proteção contra queda de rochas e fluxos de detritos consistem em alternativas viáveis para proteção contra estes eventos naturais. Foram apresentadas estas duas soluções no que tange ao histórico, método de dimensionamento e exemplos de aplicações no Brasil. Foi salientada a diferença entre os tipos de eventos e suas consequências nos métodos de dimensionamento destas duas soluções. Alertando aos projetistas para estas diferenças. AGRADECIMENTOS O autor agradece à Geobrugg e todos as empresas e pessoas envolvidas na concepção, projeto e instalação das estruturas flexíveis mencionadas neste trabalho. REFERÊNCIAS Ehrlich, M., Gobbi, F., Mendonça, M.B., Villela, R.J. (2012). Estudo do Uso de Barreiras Flexiveis para o Controle de Queda de Blocos de Rocha na Rodovia BR 116, km 90. Anais. Congresso Brasileiro de Engenharia Geotécnica COBRAMEG. Foen (2006) Guideline for the approval of rockfall kits. Geobrugg AG (2002). Estimation of debri flow impact on flexible wire rope barriers. Internal report. Geobrugg AG (2002). Estimation of debri flow impact on flexible wire rope barriers. Internal report. Hoek. E. (2007). Practical Rock Engineering. 1.ed. North Vancouver. Iverson, R.M. (1997). The physics of debris flows. Leroueil e Hight, (2003)... pegar da dissertação. Leroueil, S, Hight, D.W. (2003). Behaviour and properties of natural soils and soft rocks, Characterization and engineering properties of natural soils, Tan et al (eds.) 2003 Swets e Zeitlinger, Lisse. p Spang, R. (2001) From the timber fence to the highenergy net. Developments in rockfall protection from the origins to the present. Geobrugg Jubilee Conference, Bad Ragaz, Switzerland, June de Wedekin, V.M., Namba, M., Falconi, F.F., Negro Junior, A. Análise de queda de blocos e medidas de contenção de encosta de maciço granítico em Santos SP. Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos COBRAMSEG. 8p. Wendeler, C. (2008) Murgangrückhalt in Wildbächen Grundlagen zu Planung und Berechnung von Flexiblen Barrieren. Ph.D thesis, DISS ETH Nr