1. Introdução Enquadramento e Relevância do Tema

Transcrição

1 Universidade do Minho - Escola de Engenharia MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL Plano de Trabalhos para Dissertação de Mestrado 2017/18 Tema: Estudo das condições de escoamento sob pontes medievais Aluna: Carina Liliana Peixoto Fernandes Número da Aluna: Orientador: Professor Doutor José Luís Silva Pinho Co-Orientador(a): Eng. Vaz Tomé 1. Introdução O tema Estudo das condições de escoamento sob pontes medievais proposto para dissertação de Mestrado enquadra-se no domínio técnico-científico da área do Perfil de Hidráulica e Ambiente do Mestrado Integrado em Engenharia Civil da Universidade do Minho. O presente plano de trabalhos tem em consideração exigências de uma dissertação do tipo projeto de caráter teórico, com componente prática associada à caracterização e aplicação a um caso de estudo. Este trabalho será realizado no âmbito da Área Disciplinar de Hidráulica e Ambiente do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho sob a orientação do Professor Doutor José Luís Silva Pinho Enquadramento e Relevância do Tema As pontes de alvenaria que chegaram até à atualidade e que foram construídas na época medieval (figura 1), são parte integrante do nosso património histórico e cultural. Erguidas durante séculos, hoje em dia muitas delas ainda se mantêm em pleno funcionamento como parte integrante de redes rodoviárias ou ferroviárias. Outras apresentam-se nitidamente debilitadas, desafiando o esquecimento e falta de manutenção. Conotadas com o passado, a preservação deste património implica o desenvolvimento de processos e técnicas construtivas capazes de tornar a sua execução eficiente em termos económicos, de rapidez e facilidade de reconstrução (Coelho, 2008). No norte do país são vários os exemplos de pontes de alvenaria classificadas como património cultural como a Ponte de Barcelos (figura 2), a ponte do Bico na estrada N 101 (figura 4), a ponte do Prado que liga Braga a Ponte de Lima (figura 3), a ponte de Ponte de Lima e a ponte de Ponte da Barca (figura 6). Para além destas ainda podemos referenciar a ponte romana de chaves, sendo que é a mais antiga, tendo quase 2000 anos. Atualmente este tipo de construção já não se executa, as pontes são agora construídas em aço ou betão armado, que nos traz mais vantagens relativamente à sua manutenção, durabilidade e resistência dos materiais. Naquele tipo de pontes o sistema de alvenaria de pedra contém apenas a alvenaria e o material de enchimento, tratando-se de materiais heterogéneos, anisotrópicos e em alguns casos com descontinuidades. Geralmente o material de enchimento é um aglomerado de materiais desde de cinzas a cascalho. A estrutura principal em alvenaria é constituída por fundações, pilares, arcos, muros de tímpanos e encontros, os arcos têm o papel principal, sendo que suportam a maior parte das cargas aplicadas na estrutura. Para além dos elementos estruturais podemos ter talhantes e quebrantes, o pavimento e as guardas laterias, como representado na figura 7 (Costa, 2009). Na ponte medieval de Barcelos a proteção das fundações dos pilares é materializada com um tapete de alvenaria, cujo funcionamento hidráulico se poderá associar a um pequeno açude cuja queda se localiza imediatamente a jusante da ponte. Este açude foi sendo utilizado para tomada de água de azenhas, que foram construídos junto de pilares da ponte. Em tempos este grupo, as azenhas e o açude, serviram de elo de ligação entre as margens. As azenhas, habitualmente habitadas por um moleiro, constituíam um ponto de vigia para quem atravessava o rio, enquanto que o açude era o apoio, de modo a que as correntes não dificultassem o percurso (Aeaulp, 2012). A Ponte de Barcelos apresenta uma estrutura imponente, como não poderia deixar de ser face à necessidade de vencer a relativa altura das margens do rio Cávado nesta secção do seu curso. Ao contrário do que foi 1

2 habitual na Baixa Idade Média, em que as pontes tendem a ser de cavalete de dupla rampa, em Barcelos adotou-se o perfil horizontal, opção plenamente justificada pela longa travessia imposta. Ainda assim, os dois arcos médios são ligeiramente mais elevados que os restantes quatro, o que sugere um ligeiro cavalete. Os seus arcos são praticamente de volta perfeita, executados com aduelas compridas e estreitas e de ligeira irregularidade no extradorso. O sistema complementar de estruturação privilegiou a construção de talhamares triangulares a montante e quadrangulares a jusante, mas ainda sem olhais, opção que se tornará mais frequente no século XV, em particular nas longas pontes sobre o rio Lima. Finalmente, o tabuleiro apoia-se em grossas linhas de cachorrada que, por sua vez, sustentam também as guardas ( Direção-Geral do Património Cultural, n.d.). Em termos hidráulicos, a ponte cria uma contração ao escoamento fluvial, originando uma perda de carga local. As condições de vazão dependem, entre outros fatores, do atrito entre a água e as superfícies dos arcos da ponte. O açude imediatamente a jusante da ponte funciona como uma pequena barreira ao curso natural do rio para pequenos caudais. Contudo, para caudais normais, funcionará como uma soleira espessa descarregadora. Na atualidade este açude encontra-se parcialmente destruído pelo que o seu funcionamento hidráulico terá que ser objeto de estudo detalhado. Uma recuperação do açude deverá considerar as consequentes variações de nível para montante em função dos regimes de caudais fluviais escoados (Luís, 2013). Do ponto de vista da Hidráulica, que não realça o sistema estrutural de uma ponte, relembramos que esta é uma estrutura que faz a transposição de linhas de água, é frequente que os leitos dos rios sejam compostos por material aluvionar que é transportado ao longo do rio. Aquando o material do fundo de um rio apresenta elevada mobilidade geram-se fenómenos de erosão, que são devido à interação entre as forças hidrodinâmicas do escoamento, os sedimentos, tanto do fundo como das margens, e os obstáculos que se podem encontrar no rio, como pilares de pontes ou encontros (Silva, 2008). Os pilares das pontes mais antigas podem variar entre 1,00m e 4,40 m, aproximadamente. Comparando as pontes antigas com as mais recentes, conseguimos verificar que nas primeiras os quebra-mares eram mais robustos e em forma de cunha, já nas segundas são menores e arredondados (Jesus, 2013). Com o surgimento destes elementos nos leitos dos rios ocorrem alterações no escoamento típico do rio, acentuandose assim o transporte de sedimentos na proximidade dos pilares. Devido aos pilares e encontros de uma ponte, há um estrangulamento tornando a área da secção da passagem hidráulica menor do que a área da secção a montante desta, na qual estão incluídas as margens de inundação. Com esta variação de área, ocorre um aumento da velocidade de escoamento na secção, ao qual está associado um maior poder de transporte do material do leito, quer em suspensão, quer por arrastamento (Lança, Martins, & Mendes, 2005). É ainda possível verificar que, de um modo geral, à medida que o escoamento se aproxima do pilar, a sua velocidade vai diminuindo, até se aproximar da face de montante do pilar onde a sua velocidade será nula (Carneiro, 2015). Com um diferencial de pressões a montante dos pilares, verificamos o aumento do nível da superfície livre a montante do pilar e a formação de uma superfície de enrolamento ou rolo. Também se observamos a existência de um escoamento descendente em forma de jato, no sentido das maiores para as menores pressões. Este escoamento, ao incidir no leito, é parcialmente deflectido para montante. Alguns autores consideram que o escoamento descendente é o responsável pelo início da migração dos sedimentos à volta dos pilares (Ramos, 2012). A utilização de ferramentas hidroinformáticas avançadas constitui um elemento de elevada utilidade na avaliação do comportamento dinâmico dos fluidos. A Modelação Numérica de Fluidos ou Dinâmica de Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics CFD) é o ramo da mecânica dos fluidos responsável pela simulação numérica dos fenómenos que ocorrem num determinado escoamento. Este tipo de modelo permite modelar escoamentos multifásicos através do Método de Volumes Finitos pela resolução das equações de de Reynolds ou Navier-Stokes. Cada célula da malha de cálculo utilizada é caracterizada por valores médios dos parâmetros de escoamento, pressão e velocidade, em intervalos de tempo discretos (Ramos, 2012). Assim, a simulação numérica do escoamento de fluidos pressupõe uma compreensão dos fenómenos físicos do sistema em estudo, possibilitando deste modo definir as condições-fronteira e todas as condicionantes do problema, bem como eventuais esquemas numéricos a selecionar (Ramos, 2012). 2. Objetivos O presente trabalho de tem como objetivo principal a análise das condições de escoamento sob pontes medievais, incluindo uma caracterização da hidrodinâmica e da ação do escoamento sobre a ponte. Serão considerados os seguintes objetivos específicos: 2

3 Caracterização das condições de escoamento sob pontes de arcos. Aplicação à ponte medieval de Barcelos; Realização de medições de campo para avaliar as condições de escoamento atuais; Modelação hidrodinâmica recorrendo a um programa 3D CFD; Caracterização da ação do escoamento sobre a ponte medieval; Colaboração no desenvolvimento do projeto de execução da recuperação do açude da ponte medieval. 3. Metodologia A metodologia a adotar para a concretização dos objetivos propostos na presente dissertação contempla abordagens de índole diversa, de acordo com as várias fases de desenvolvimento do trabalho: Pesquisa bibliográfica A investigação iniciar-se-á com a realização de uma extensiva pesquisa bibliográfica, sendo analisados trabalhos científicos publicados em revistas, avaliação de capacidades de diferentes ferramentas informáticas e trabalhos já realizados neste domínio de investigação. Com a informação recolhida produzir-se-á um documento sobre o estado da arte; Modelação hidrodinâmica Após avaliação das características e potencialidades de ferramentas informáticas disponíveis, serão selecionados e aprofundados conhecimentos de utilização das que forem consideradas mais adequadas aos objetivos em vista e considerando os aspetos relacionados com a dimensionalidade espacial e temporal do modelo a implementar. Privilegiando a utilização de software CFD 3D, sendo que se trata de um software hidrodinâmico não-linear, onde simulamos o comportamento dinâmico de fluídos, considerando diversos processos físicos. Outro software que será utilizado é o SOBEK 1D ou 2D (Deltares, 2013) para simulação hidrodinâmica do trecho fluvial onde se insere a ponte a analisar; Caso de estudo As ferramentas informáticas selecionadas serão aplicadas à ponte medieval de Barcelos. Para tal, far-se-á o tratamento da informação de base, relevante para a construção dos modelos hidrodinâmicos, assim como serão definidas as condições fronteiras do estudo e as condicionantes de aplicação das ferramentas; Após calibração e validação dos modelos desenvolvidos e adaptados para o caso de estudo, será realizada uma análise de sensibilidade aos principais parâmetros do modelo nos resultados obtidos e serão considerados diferentes cenários de escoamento fluvial, incluindo cenários de cheias e de rutura de barragens de montante. Estes cenários considerarão as atuais condições de vazão do açude e as que resultam da sua recuperação; Definição de solução técnica para a recuperação do açude; Dissertação Organização e síntese dos resultados obtidos, sendo a redação da dissertação realizada ao longo do trabalho. 4. Resultados Esperados Com base nos conhecimentos adquiridos para o caso de estudo da ponte de Barcelos, espera-se validar as metodologias utilizadas e avaliar a sua adequação a este tipo escoamentos fluviais sob influência de pontes, de forma a generalizar a sua possibilidade de aplicação a outros sistemas idênticos. Antevê-se a obtenção dos seguintes resultados: Incorporar, no conhecimento nacional, os mais recentes desenvolvimentos em ferramentas hidroinformáticas para simular escoamentos sob pontes medievais; Contribuir, com o desenvolvimento de conhecimento técnico e científico necessário à proteção e recuperação de açudes e pontes medievais; 3

4 Colaborar na elaboração de um projeto de recuperação de um açude medieval. O resultado final do trabalho de investigação proposto consistirá na elaboração de uma dissertação de mestrado em Engenharia Civil, escrita de acordo com o Despacho RT 32/2005, organizada nos seguintes capítulos: 1. Introdução. Objetivos e motivação para a investigação. 2. Revisão bibliográfica. Estado da Arte. 3. Ferramentas informáticas disponíveis para a simulação de escoamentos sob pontes de alvenaria. 4. Caso de estudo. 5. Discussão de resultados. 6. Conclusões e desenvolvimento de trabalhos futuros. 7. Referências bibliográficas. 5. Faseamento e Calendarização Esta secção é dividida em duas partes. Na primeira são detalhadas as atividades que serão desenvolvidas e na segunda será apresentada a calendarização das mesmas. 5.1 Faseamento Fase 1: Pesquisa Bibliográfica. Fase 2: Modelação hidrodinâmica CFD 3D. Fase 3: Modelação do caso de estudo. Fase 4: Análise de resultados Fase 5: Redação da Dissertação. 5.2 Calendarização O tempo previsto para a elaboração da dissertação será de quatro meses com início em Março de A calendarização do faseamento das atividades a desenvolver, já identificadas, é apresentada, seguidamente, sob a forma de cronograma dividido em semanas de trabalho. Tempo (semanas) Março Abril Maio Junho Fase 1 X X X X Fase 2 X X X X X X X Fase 3 X X X X Fase 4 X X X X Fase 5 X X X X X X X Referências Bibliográficas Aeaulp. (2012). Palcos da Arquitetura (Palcos da Arqutetura) (Volume 1) (Portuguese Edition). Carneiro, C. D. F. (2015). Estudo Numérico do Escoamento e Transporte de Sedimentos em Torno de Pilares de Pontes. Universidade do Minho. Coelho, P. M. (2008). Processos construtivos de pontes de alvenaria em arco. Universidade de Aveiro. Costa, C. M. R. (2009). Análise numérica e experimental do comportamento estrutural de pontes em arco de alvenaria de pedra. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Direção-Geral do Património Cultural. (n.d.). Acessado a 8 de Março, de 4

5 Jesus, J. J. C. De. (2013). Caraterização Geométrico-Estrutural de Pontes em Arco de Alvenaria na Região de Bragança Engenharia da Construção. Escola Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto Politécnico de Bragança. Lança, R., Martins, C., & Mendes, J. (2005). Metodologia para o estudo hidráulico e sedimentológico em pontes. Aplicação à Ribeira de Oeiras, entre as localidades de Corte de Pão e Água e de Morena, concelho de Mértola. TecnoVisão, 17, Ramos, P. X. C. (2012). Modelação numérica do escoamento em torno de um pilar. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Silva, R. P. dos S. N. da. (2008). Estudo da erosão de pilares de pontes. Faculdade de Engenharia da Universidade do porto. Figuras e Tabelas Figura 1 - Ponte sobre o Rio Lima Figura 2 - Ponte de Barcelos Figura 3 - Ponte do Prado 5

6 Figura 4 - Ponte do Prado Figura 5 - Ponte em Ponte de Lima Figura 6 - Ponte em Ponte da Barca 6

7 Figura 7 - Representação esquemática dos componentes das pontes em arco de alvenaria de pedra (Costa, 2009). O Aluno, O Orientador, Carina Fernandes Prof. Doutor José Luís Pinho 7