Resumo. Palavras-chave. Estudo Hidrológico; Projeto Executivo; Ponte; Pro Bono. Introdução

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1 Engenharia pro bono: estudo hidrológico do projeto executivo de uma ponte em Paço do Lumiar MA Nerivaldo Nestor de Jesus¹, Débora Cristina Coutinho Vilas Bôas², Inara Marcelly Araujo Amorim³, José Raimundo Matos de Oliveira 4 ¹Unidade de Ensino Superior Dom Bosco- UNDB / Engenharia Civil / nerivaldo2004@yahoo.com.br ² FAPEMA/ Engenharia Civil / engdebora@gmail.com ³Unidade de Ensino Superior Dom Bosco- UNDB/ Engenharia Civil / inara_marcelly@hotmail.com 4 Faculdade Pitágoras/ Engenharia Civil / jose.matos.oliveira.slz@gmail.com Resumo O presente artigo busca analisar a hidrologia da região onde está localizado atualmente um pontilhão situado sobre o Rio Paciência na rua São Pedro em Paço do Lumiar MA. Essa obra de arte especial apresenta aspecto estrutural precário e apenas uma faixa de trânsito. O segmento em que ela está situada possui fluxo intenso de veículos, pedestres e ciclistas, o que a torna de grande impacto social, afetando diretamente a mobilidade urbana da população. Partindo desta necessidade, foram feitos estudos multidisciplinares com a finalidade de fornecer um projeto executivo de uma nova ponte na forma pro bono para a Secretaria Municipal de Obras e Serviços Públicos para melhoria da infraestrutura. Para obtenção de dados pertinentes ao correto dimensionamento da ponte foram feitos estudos hidrológicos através da coleta de dados pluviométricos da área de abrangência da bacia hidrográfica do projeto. O estabelecimento do regime pluviométrico teve por base os dados obtidos pelo site da Agência Nacional de Águas. Com os dados coletados pelo posto pluviométrico foi gerado o hidrograma das máximas e mínimas mensais das precipitações totais, elaborado a partir da série histórica do regime pluviométrico. No dimensionamento de pontes e em sua verificação hidráulica é preciso estabelecer vazões hidrológicas máximas para o tempo de recorrência de 100 anos. Além disso, utilizou-se o método do Hidrograma Unitário, pois a bacia de contribuição em estudo possui área de 50,60 km². A seção da ponte foi estendida de 7,85m para 20,00m, aumentando assim sua capacidade de escoamento nos períodos de cheia. Com base nos dados levantados foi possível chegar a seção e cota que melhor atende as necessidades do projeto. O projeto em questão tem o objetivo de estimular o engajamento de alunos e profissionais de engenharia para questões sociais, utilizando de forma voluntária suas competências para transformar a sociedade. Palavras-chave Estudo Hidrológico; Projeto Executivo; Ponte; Pro Bono. Introdução A engenharia civil é de extrema importância para a estrutura social e tem participação direta na construção de escolas, hospitais, pontes, entre outros. Essa importância da engenharia fica ainda mais evidente quando tratamos de obras de mobilidade urbana que caracterizam o direito dos cidadãos a locomoção, como pontes por exemplo. Para tanto, foi escolhido como objeto de estudo um pontilhão localizado sobre o Rio Paciência na rua São Pedro em Paço do Lumiar, no Estado do Maranhão. Como o mesmo apresenta

2 patologias estruturais visíveis, há um risco iminente dessa estrutura vir ao colapso, afetando a mobilidade urbana da comunidade local e das pessoas que a utilizam como via de acesso. Assim, o presente artigo apresentará o estudo hidrológico para implantação de um projeto executivo de uma nova ponte que atenda as necessidades da população. O projeto abrange todo o detalhamento hidráulico e pluviométrico para o dimensionamento de uma nova ponte. O estudo hidrológico da ponte busca a obtenção dos elementos necessários para a verificação da capacidade hidráulica do rio, definição do vão da ponte e da cota de máxima cheia. Em decorrência desses fatores pode haver alterações no projeto estrutural da ponte. Esse estudo hidrológico dará maior segurança ao projeto, garantindo que o rio não transborde sobre a ponte. A sistemática adotada nesse estudo abrange a coleta de dados pluviométricos e pluviográficos da área de abrangência do projeto. O estudo topográfico e as características da bacia da região forneceram parâmetros para determinação das dimensões da ponte que melhor atendem as necessidades de uso durante sua vida útil. O papel social da engenharia nem sempre é abordado de forma clara durante a formação acadêmica. Objetivando preencher esta lacuna, foram feitos estudos para viabilizar projetos de engenharia na modalidade pro bono com a finalidade de elaborar um projeto executivo de relevância social que será doado para a comunidade e a Secretaria Municipal de Obras e Serviços Públicos. A entrega do projeto executivo da ponte visa aproximar a experiência acadêmica dos alunos com a realidade do mercado de trabalho, utilizando para isso uma obra de importância social, potencializando assim o poder de transformação da engenharia na sociedade. Localização O pontilhão em estudo está localizado sobre o Rio Paciência na rua São Pedro, dividindo o bairro Parque Jair da Vila São José, no município de Paço do Lumiar, na ilha de São Luís, no Estado do Maranhão, na região indicada em vermelho da figura 1. Suas coordenadas são Norte m e Leste m, obtidas através do georreferenciado com equipamento de Global Positioning Syste Real Time Kinematic. Figura 1- Mapa de localização da ponte em estudo (Fonte: adaptada de maps.google.com.br).

3 Caracterização da ponte em estudo O pontilhão em estudo apresenta apenas uma faixa de transito de 3,80m de largura, como pode ser observado na figura 2. Apesar disso, há um fluxo intenso de veículos de diversos portes, pedestres e ciclistas que o utilizam como via de acesso. Então, para melhorar a mobilidade urbana da população será proposta a duplicação da faixa de rolamento, conforme apresenta a figura 4 abaixo que mostra o pontilhão existente sobreposto pela ponte que será projetada, onde pode ser notada a diferença de dimensões das pontes. Esse pontilhão também apresenta problemas estruturais visíveis, como pode ser observado na figura 3, onde mostra o aço em processo de corrosão. Figura 2- Fotografia da seção da ponte. Figura 3- Patologia no concreto e aço da ponte. Figura 4- Imagem ilustrativa da ponte existente sobreposta pela ponte que será projetada. Características físicas da bacia de contribuição O regime hidrológico do rio Paciência é permanente mesmo no período de estiagem. Ele é alimentado por nascentes de médio e pequeno porte, além do lançamento de esgotos sanitários (RANGEL, 2013). No período chuvoso o acréscimo de vazão provoca o transbordamento do rio, principalmente em locais onde há transposição por vias, como por exemplo pelo pontilhão em estudo, causando uma obstrução temporária nesses pontos. A comunidade local há anos sofre esses transtornos causados pelo alagamento nessa região.

4 Localizada na posição oriental da ilha de São Luís, a bacia de projeto em estudo estende-se por uma área de 50,60 Km², conforme apresentado na figura 5. Para determinar as dimensões da bacia de contribuição foram utilizadas cartas topográficas do sítio eletrônico do Zoneamento Ecológico-Econômico do Estado do Maranhão. As curvas de nível foram obtidas a partir de imagens obtidas no site da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária. Pluviometria Figura 5- Bacia hidrográfica do Rio Paciência. O estabelecimento do regime pluviométrico da região em estudo teve por base os dados obtidos pelo sítio eletrônico da Agência Nacional das Águas na estação pluviométrica no posto de São Luís 82280, operada atualmente pelo Instituto Nacional de Meteorologia. Dentre os seis postos existentes na capital, este é o posto mais próximo da ponte, além de possuir acervo acumulado ao longo dos últimos 45 anos. O pluviógrafo do mesmo está localizado nas coordenadas: Latitude sul 2º23, Longitude 44º21 e Altitude 50,86m (ANA, 2015). A partir dos dados coletados pelo posto pluviométrico, foi gerado o histograma das precipitações máximas e mínimas, no período de observação relativo aos anos de 1971 a 2015, elaborado a partir da série histórica do regime pluviométrico apresentado nas figuras 6 e 7, respectivamente. 300,00 200,00 100,00 0,00 187,80 210,00 162,20 177,20 181,60 PRECIPITAÇÃO MÁXIMA MENSAL (mm) 133,00 Figura 6 Precipitação máxima mensal (Fonte: Dados obtidos pela ANA, 2015). 85,10 45,80 62,80 JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ 40,00 Precipitação Mensal 67,30 159,70 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 PRECIPITAÇÃO MÍNIMA (mm) PRECIPITAÇÃO MÍNIMA 32,00 24,40 19,30 11,80 7,90 4,60 1,20 0,20 0,10 0,10 0,20 0,10 JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ Figura 7 Precipitação mínima mensal (Fonte: Dados obtidos pela ANA, 2015).

5 Pela análise dos histogramas constatou-se que o período chuvoso se estende de janeiro a junho, conforme figura 6. Analisando a figura 7, observa-se que o trimestre mais chuvoso é o de março a maio e o mais seco de setembro a novembro. Esse período chuvoso deve ser considerado no dimensionamento da ponte, pois nessa época do ano a vazão do Rio Paciência aumenta, ocorrendo a máxima cheia. Para definição dos parâmetros necessários para o estudo, utilizou-se a equação de Pfafstetter, conforme apresentado a seguir. Equação de Pfafstetter A equação de Pfafstetter foi utilizada para obtenção da chuva intensa para utilizar no projeto. Segundo TOMAZ (2010) chuva intensa é a precipitação registrada com grande volume de água em um tempo curto, localizada em um período de recorrência previsto para uma determinada obra de drenagem. A precipitação máxima é dada pela seguinte equação 1 empírica, abaixo: β P = [T (α+ T 0,25) ]. [at + b. log(1 + ct)] (1) Onde temos que: P é a Precipitação máxima (mm); T é o tempo de recorrência (anos); t é a duração da precipitação (h); a, b, c são constantes que dependem da localidade de cada posto; α e β são constantes que dependem da duração da precipitação; Na tabela 1 seguinte estão apresentados os valores de α válidos para o posto de São Luís estudado para as durações de 5min até 6 dias. Tabela1- Valores de α Duração 5min 15min 30min 1h 2h 4h 8h 14h 24h 48h 3d 4d 6d α 0,108 0,122 0,138 0,156 0,166 0,174 0,176 0,174 0,17 0,166 0,16 0,156 0,152 Os valores de β estão em função da duração de a, b, c para o mesmo posto podem ser observados na Tabela 2. Tabela 2- Valores de β Duração 5min 15min 30min 1h a 6d Β -0,08 0,04 0,08 0,12 Tempo de Recorrência ou Período de Retorno Para dimensionamento de obras de arte especial e sua verificação hidráulica, é preciso estabelecer as vazões hidrológicas máximas para determinado tempo de recorrência. Conforme TOMAZ (2010) período de retorno ou tempo de recorrência pode ser entendido como o período de tempo em que uma determinada chuva de intensidade e duração definidas é igualado ou superado pelo menos uma vez. A escolha do tempo de recorrência tem que levar em consideração a vida útil da obra, suas dimensões, riscos, perdas materiais e humanas. O tempo de retorno da maior precipitação pode ser obtido pela classificação do tipo de obra, sendo que para a obra de arte especial em estudo

6 deve ser adotado um tempo de retorno de 100 anos para permitir sua adequada implantação (DNER, 1996). Tempo de concentração A duração adotada para uma precipitação, para fins do dimensionamento hidráulico de um dispositivo do sistema de drenagem das águas de escoamento superficial é denominado de tempo de concentração da bacia de contribuição. Como a bacia do Rio Paciência possui área igual a 5.060,00 hectares, ou seja, é uma grande bacia natural, então adotou-se a seguinte equação 2 proposta por Kirpich Modificada para determinação do tempo de concentração: T C = 1,42 ( L3 H )0,385 Onde temos que tc é o tempo de concentração, em horas; H é o desnível máximo, em m; L é o comprimento do curso de água principal da bacia, em Km; H é o desnível máximo em m. O tempo de concentração encontrado, utilizando a equação 2, foi de 6,14 h para a chuva intensa. Método do Hidrograma Unitário Os Hidrogramas Unitários podem ser aproximados por relações de tempo e vazão estimadas, relacionando tempo de concentração e área das bacias. A escolha do melhor método de cálculo de vazão de projeto é determinada a partir da análise das áreas das bacias hidrográficas. Para grandes bacias com área maior que 20km² é utilizado o Hidrograma Unitário Triangular, entretanto esse método é utilizado apenas quando não existem dados suficientes para a construção do Hidrograma Unitário (DNIT, 2006). No presente estudo foi adotado o método do Hidrograma Unitário para definição da vazão de pico, pelo tempo de pico e pelo tempo de base. Esses dados são apresentados na tabela 3, localizada na página seguinte. Os conceitos e procedimentos para estimativa do Hidrograma Unitário são encontrados no manual do Departamento Nacional de Infra-estrtutura de Transportes. Com base na elaboração computacional do Hidrograma Unitário foi determinada a vazão de pico de 101,38 m/s, como mostra a figura 8 a seguir. (2)

7 DESCARGA (m³/s) 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 50,54 83,03 101,38 99,21 90,93 80,69 55,17 48,20 44,13 38,34 21,26 20,41 20,00 12,85 7,03 2,95 0,00 0,60 0,00 0,00 0,00 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 TEMPO (t) 29,68 Figura 8- Hidrograma unitário Tabela 3- Hidrograma unitário Δt qi Δpe Q (hora) (m³/s) 116,92 44,07 17,70 15,70 15,80 15,83 15,92 15,94 16,01 16,01 (m³/s) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 4,81 0,18 21,26 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 21,26 9,61 0,36 42,52 8,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 50,54 14,42 0,55 63,78 16,03 3,22 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 83,03 19,22 0,58 68,05 24,04 6,44 2,85 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 101,38 24,03 0,47 55,32 25,65 9,66 5,71 2,87 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 99,21 28,83 0,36 42,59 20,85 10,30 8,56 5,75 2,88 0,00 0,00 0,00 0,00 90,93 33,64 0,26 29,86 16,05 8,38 9,14 8,62 5,76 2,90 0,00 0,00 0,00 80,69 38,44 0,15 17,12 11,25 6,45 7,43 9,20 8,64 5,79 2,90 0,00 0,00 68,78 43,25 0,04 4,39 6,45 4,52 5,72 7,48 9,22 8,69 5,80 2,91 0,00 55,17 48,05 0,00 0,00 1,66 2,59 4,01 5,76 7,49 9,27 8,69 5,82 2,91 48,20 52,86 0,00 0,00 0,00 0,67 2,30 4,04 5,77 7,53 9,28 8,74 5,82 44,13 57,66 0,00 0,00 0,00 0,00 0,59 2,31 4,04 5,80 7,54 9,32 8,74 38,34 62,47 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,59 2,32 4,07 5,80 7,58 9,32 29,68 67,27 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,59 2,33 4,07 5,83 7,58 20,41 72,08 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,60 2,33 4,09 5,83 12,85 76,88 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,60 2,35 4,09 7,03 81,69 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,60 2,35 2,95 86,49 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,60 0,60 91,30 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 96,10 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Determinação da cota de máxima cheia e vão da obra A determinação da cota e largura a serem adotadas no projeto é baseada na situação planialtimétrica e nos estudos hidrológicos. Uma vez determinado o método de cálculo de vazões, a área da bacia e o tempo de recorrência, é possível estipular os níveis máximos para a ponte em estudo.

8 A cota de máxima cheia e vão da obra foram calculados utilizando a fórmula de Manning associada a equação da continuidade. Observando a figura 9, temos que para cada altura h do nível d água corresponde a uma área molhada (A), um perímetro molhado (P) e, consequentemente, um raio hidráulico (R) e velocidade (V), relacionados através da equação 3 de Manning: V = R 2 3. I 0,5. n 1 (3) Figura 9 - Área molhada x tirantes (Fonte: DNER, 1990) Substituindo V pelo valor Q / A (equação da continuidade), temos a equação 4: Q = A. R 2 / 3. I 0,5. n -1 (4) Essa fórmula é válida para qualquer tirante. Para qualquer nível referente à uma travessia, temos a equação 5: A. R 2 / 3 = Q. n / I 0,5 (5) A tabela 4 apresenta os resultados obtidos através do processo computacional para determinar a vazão máxima e a cota máxima de cheia. Nota-se que a cota máxima é de 16,64m e a vazão máxima é de 2,68 m/s. Os gráficos das figuras 10 e 11 são gerados a partir da tabela 4. Tabela 4 Cálculo da vazão de projeto pelo método hidrógrafo unitário triangular COTA(m) A(m²) P(m) R(m) R⅔ AR⅔ V(m/s) 0,0 0,00 14,43 3,39 13,736 0,247 0,393 1,332 0,71 14,93 10,73 16,293 0,659 0,757 8,128 1,36 15,43 19,16 18,844 1,017 1,011 19,367 1,81 15,93 28,65 21,388 1,340 1,215 34,818 2,18 16,43 39,16 23,471 1,669 1,407 55,096 2,52 16,64 62,57 2,68 n=0,033 i=0,0035 AR ⅔ =Qp.n/I 0,5 Qp= 112,17m³/s

9 Figura 10- Velocidade x cota Figura 11- Raio hidraúlico x cota máxima O local de implantação da ponte sofre constantemente com enchentes, ou seja, o volume de água, com frequência, é maior que a capacidade de drenagem da calha existente ou leito menor. Assim, é sugerido o alargamento e canalização por enrocamento com pedra no segmento da ponte, objetivando proteger os encontros da ponte da ação erosiva e melhorar o escoamento através da melhoria da rugosidade do fundo do rio. A consequência deste alargamento é o rebaixamento da cota de cheia do projeto, diminuindo a necessidade de grandes aterros entre a ponte e a via local. O vão da nova ponte então passará de 7,85m para 20m, como pode ser observado na figura 12, onde mostra a seção transversal da nova ponte.

10 Figura 12 - Seção transversal do projeto da nova ponte. Conclusão O estudo hidrológico possui grande relevância nas obras de engenharia civil, sobretudo nas de pontes, pois determina maior grau de segurança em relação ao dimensionamento do vão da ponte. Com base nos resultados foi possível determinar a vazão de pico e a cota máxima de projeto. Tais resultados têm por objetivo a preservação da obra de arte especial projetada e, por consequência, prevenir danos materiais e humanos. Os resultados obtidos neste artigo fazem parte de uma série de projetos na modalidade pro bono. Estes projetos são voltados a atender as necessidades da sociedade por obras estruturantes. Assim, a principal intenção deste projeto é mostrar como o estudante de engenharia pode contribuir, ao longo da graduação e da vida profissional para a melhoria da sociedade. Referências Agência Nacional de Águas- ANA. Disponível em: < > Acesso em: 02 de dezembro de DNER, Departamento Nacional de Estradas de Rodagem Manual de Hidrologia Básica para Estruturas de Drenagem, Rio de Janeiro RJ, DNER, Departamento Nacional de Estradas de Rodagem Manual de Projeto de Obras de Arte Especiais. Rio de Janeiro RJ, DNIT, Departamento Nacional de Infra-estrutura de Transportes. Manual de Drenagem de Rodovias Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária- EMBRAPA. < Acesso em: 20 de dezembro de RANGEL, M. E. S.; PEREIRA, C. R. P.; SOUZA, U. D. V. Dinâmica sócio ambiental da área da bacia do Rio Paciência, porção nordeste da Ilha do Maranhão/MA. Universidade Federal do Maranhão UFMA. Departamento de Geociências DEGEO, TOMAZ, Plínio. Período de retorno. Capítulo 3, Cálculos hidrológicos e hidráulicos para obras municipais, Zoneamento Ecológico Econômico do Estado do Maranhão - ZEE. Disponível em: < Acesso em: 08 de dezembro de 2015.