Seminários PAVIMENTOS PERMEÁVEIS

Transcrição

1 Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental PHA PHA2537 Água em Ambientes Urbanos Seminários PAVIMENTOS PERMEÁVEIS e sua influência sobre a Drenagem Andre Bertoletti Gonçalves - N. USP Rafael Henrique de Oliveira - N. USP Prof. Dr. Kamel Zahed Filho Prof. Dr. José Rodolfo Scarati Martins Profª. Drª. Monica Ferreira do Amaral Porto Profª. Drª. Ana Paula Zubiaurre Brites 2014

2 Sumário 1. Introdução Pavimentos Permeáveis Definição Limitações Tipos de Pavimentos Permeáveis Classificação segundo composição Classificação segundo infiltração Dimensionamento Altura do reservatório de agregados Condutividade hidráulica Introdução Comparação de desempenhos Bibliografia... 10

3 1. Introdução A impermeabilização do solo decorrente da ocupação urbana altera o ciclo hidrológico e resulta em aumento de enchentes urbanas e da degradação da qualidade das águas pluviais. A drenagem urbana tradicional busca drenar -ou melhor, afastar - as águas derivadas de precipitações o mais rápido possível, o que aumenta o risco de inundações a jusante. A tendência atual, em uma abordagem sustentável, é buscar a manutenção de condições próximas à de pré-ocupação a partir de elementos que permitam a infiltração de água e retardem seu escoamento. Neste contexto, os pavimentos permeáveis têm se tornado um elemento de papel fundamental por reduzirem volumes de escoamento superficial e o impacto sobre a qualidade da água. Usualmente, os sistemas permeáveis de pavimentação são compostos por pavimentos porosos (de concreto ou asfalto) ou por blocos de concreto (vazados ou não). 2. Pavimentos Permeáveis 2.1 Definição Pavimentos permeáveis são definidos como sendo aqueles que possuem espaços livres em sua estrutura por onde a água pode escoar, podendo infiltrar no solo ou ser transportada através de sistema auxiliar de drenagem. Este tipo de pavimento busca reduzir o volume de água referente ao escoamento superficial e, por consequência, reduzir a solicitação do sistema de drenagem urbana e a probabilidade de enchentes. Como efeitos complementares, tem-se a melhora da qualidade de água infiltrada por carrear menor quantidade de poluição difusa e a contribuição para a recarga (Ferguson, 2005). Em uma estrutura de pavimento permeável genérica, o escoamento infiltra rapidamente na camada de revestimento poroso de asfalto ou concreto (espessura de 5 a 10 cm, que serve como um "conduto" rápido para o escoamento), atravessa um filtro de agregados de 1,25 cm de diâmetro e espessura de 2,5 cm e segue para uma câmara ou um reservatório de pedras mais profundo com agregados de 3,8 a 7,6 cm de diâmetro. A partir desse reservatório,o escoamento pode ser infiltrado para o subsolo ou coletado por tubos de drenagem e conduzido até uma saída (Araújo et. al., 2000). Desta forma, a capacidade de armazenamento dos pavimentos porosos é determinada pela profundidade desse reservatório e pelo escoamento perdido por infiltração para o subsolo. 2.2 Limitações Importantes limitações para o emprego de pavimentos permeáveis são: - quando o solo do subleito apresenta baixa permeabilidade ou o nível do lençol freático for alto. Nesses cenários, o sistema permeável tem a função de um poço de detenção e deve ser previsto sistema de drenagem com tubos perfurados e espaçados de 3 a 8 m para a condução da água à rede de drenagem. O sistema deve prever o esgotamento do" poço" em período de 6 a 12 horas; - quando a água drenada é contaminada, haverá impacto sobre o lençol freático; - a falta de controle na construção (erros na compactação de camadas que diminuam permeabilidade, por exemplo) e na manutenção (entupimento dos caminhos de condução da água na estrutura); 1

4 2.3 Tipos de Pavimentos Permeáveis Classificação segundo composição Os pavimentos permeáveis são usualmente classificados, de acordo com sua composição, em: a) Pavimentos de asfalto poroso A camada superior (o revestimento asfáltico) é composta de forma similar às convencionais, mas com retirada de fração de areia fina (graduação aberta) da mistura dos agregados do pavimento. É conhecida como "camada porosa de asfalto (ou atrito)" (CPA). Essa graduação resulta em uma mistura asfáltica que pode conter de 18% a 25% de vazios, permitindo rápida percolação da água. Além de sua função na estrutura permeável, o CPA apresenta outras vantagens como o aumento da aderência pneu-pavimento e a redução de ruído (Bernucci et. al., 2008). Figura 1 - Estrutura de pavimento com camada porosa de asfalto. Fonte: <flowstobay.org> Figura 2 - Demonstração da permeabilidade da CPA. b) Pavimentos de concreto poroso A camada superior de concreto poroso é composta a partir de conceito similar ao do CPA, com retirada de fração de areia fina da mistura dos agregados do pavimento. Como resultado consegue-se de 15% a 25% de 2

5 vazios. Como consequência, também apresenta menor resistência em relação ao concreto comum e é indicado apenas para locais de tráfego leve ou pouco intenso. Figura 3 - Estrutura de pavimento com concreto poroso. Fonte: <flowstobay.org> Figura 4 - Demonstração da permeabilidade do concreto poroso. c) Pavimento de blocos de concreto vazado Os blocos de concreto vazado são assentados sobre material granular, como areia, e preenchidos com vegetação rasteira, como grama. Filtros geotêxteis, as serem colocados sob a camada de areia, são importantes para prevenir o carreamento de areia fina para as camadas granulares inferiores. Figura 5 - Estrutura de pavimento com blocos vazados. Fonte: <flowstobay.org> 3

6 Figura 6 - Blocos vazados preenchidos com grama. d) Pavimento de blocos de concreto e paralelepípedos Os blocos intertravados de concreto também possuem permeabilidade, cuja magnitude depende da permeabilidade do concreto do bloco em si e da granulometria do material de assentamento e das juntas (granulometrias mais abertas favorecendo a infiltração). Contudo, a permeabilidade desse tipo de pavimento, que já é menor que a dos demais tipos de pavimento permeável, diminui com o tempo (ou seja, com a passagem de tráfego) e chega a metade do valor original após apenas cinco anos de vida em média (Madrid, 2010). Figura 7 - Estrutura de pavimento com blocos de concreto. Fonte: <flowstobay.org> Outro revestimento semirrígido e modular é o composto por paralelepípedos. As considerações em relação à permeabilidade e o material granular de assentamento são similares às apresentadas para os blocos de concreto. A principal diferença é que para os paralelepípedos a permeabilidade do material em si não pode ser condicionada (natureza da rocha), enquanto que para os blocos é possível utilizar concreto poroso como forma de melhorar o desempenho do sistema. 4

7 Figura 8 - pavimentação com paralelepípedos Classificação segundo infiltração Segundo a destinação da água, os pavimentos permeáveis podem ser classificados em: a') Pavimento com infiltração total Todo o volume coletado infiltra no solo. Pavimento implantado quando o solo do subleito apresenta alta permeabilidade ou o nível do lençol freático for suficientemente baixo. Figura 9 - Infiltração total (CIRIA, 2007) b') Pavimento sem infiltração Todo o volume coletado é coletado por sistema de drenagem com drenos (tubos) perfurados e espaçados de 3 a 8 m para a condução da água à rede de drenagem. Condição quando solo da subleito apresenta baixa permeabilidade ou o nível do lençol freático encontra-se elevado. 5

8 c') Pavimento com infiltração parcial Figura 10 - Sem infiltração (CIRIA, 2007) Situação intermediária das condições de solo ou do lençol freático, permitindo infiltração parcial (apesar da necessidade de sistema de coleta por dreno). Figura 11 - Infiltração Parcial (CIRIA, 2007) 3. Dimensionamento 3.1 Altura do reservatório de agregados O dimensionamento da estrutura do pavimento permeável (Araújo et. al., XXXX) envolve a determinação do volume drenado pela superfície ou por outra área contribuinte cujo volume escoe para a área do pavimento. A precipitação de projeto é obtida com base no tempo de retorno de projeto e da equação IDF (intensidade, duração e frequência) do local. Para uma estrutura permeável de infiltração total (sem tubos de drenagem internos), o reservatório de pedras interno deve garantir a acomodação do volume de água da chuva de projeto menos o volume infiltrado durante a chuva. O volume retido pelo pavimento poroso pode ser estimado por: sendo: V R = (i p + c - i e ). t d (Eq. 1) 6

9 V R = o volume de chuva a ser retido pelo reservatório (em mm); ip = a intensidade máxima da chuva de projeto (em mm/h); ie = taxa de infiltração no solo (em mm/h); td = tempo de duração da chuva (em horas); c = fator de contribuição de áreas externas ao pavimento permeável, determinado pela equação 2: c =. (Eq. 2) onde Ac é a área externa de contribuição para o pavimento permeável e Ap é a área de pavimento permeável. Por fim, a profundidade do reservatório interno de pedras do pavimento é dada por: onde: H = (Eq. 3) H = profundidade do reservatório de pedras (em mm); f = porosidade do material, que pode ser determinada pela equação: f =. (Eq. 4) onde V L é o volume de líquidos, V G é o volume de vazios e V T é o volume total da amostra. Para o material recomendado para o reservatório (britas 3 e 4), a porosidade está na da ordem de 40 a 50%. Os pavimentos permeáveis, considerando a relação entre a intensidade de chuva de projeto e a condutividade hidráulica da estrutura ( a segunda sempre maior que a primeira), só são viáveis para taxas de infiltração superior a 7 mm/h. Uma amostragem representativa do solo do subleito seria a realização de sondagens a profundidades de 0,6 a 1,2 m abaixo do reservatório de pedras britadas (agregados). A camada impermeável ou o nível do lençol freático deve estar pelo menos 1,2 m abaixo da estrutura do pavimento. Por questões construtivas, recomenda-se que o reservatório tenha profundidade mínima de 15 cm. 3.2 Condutividade hidráulica Introdução Para os revestimentos dos pavimentos permeáveis, o parâmetro que permite avaliar corretamente seu desempenho - tanto para o dimensionamento quanto para acompanhamento durante a vida útil - é o coeficiente de permeabilidade (K). O mesmo é facilmente calculado a partir da Lei de Darcy (relação entre taxa de infiltração e o coeficiente de permeabilidade), utilizando um permeâmetro de carga variável a partir de procedimento proposto pelo American Concrete Institute: K =.. log ( ) (eq. 5) onde: K = coeficiente de permeabilidade; A 1 = área da seção da amostra (em m²); 7

10 A 2 = área do tubo (em m²); L = comprimento da amostra (m) t = tempo para variação de hi para hf (em s); hi e hf = alturas inicial e final do permeâmetro. Revestimentos permeáveis devem possuir um coeficiente de permeabilidade superior a 10-5 m/s (permeabilidade alta segundo critérios para solos - Pinto, 2008) 4. Comparação de desempenhos Um experimento realizado por (Araújo et. al., 2000) buscou simular chuvas sobre diferentes tipos de superfície a fim de determinar as leis de infiltração e o escoamento superficial. As superfícies escolhidas foram: -solo compactado com declividade de 1 a 3%; -pavimento impermeável de concreto convencional, declividade de 4%; -pavimento semipermeável - paralelepípedos com declividade de 4%; -pavimento semipermeável - blocos de concreto com declividade de 2%; -pavimento permeável: blocos vazados de concreto, preenchidos com material granular (areia) e com declividade de 2%; - pavimento permeável: concreto poroso, com declividade de 2%. Como resultado das simulações, observou-se os seguintes resultados para o escoamento superficial (gráfico escoamento vs. tempo e valores de coeficiente de escoamento "c"): Gráfico 1 - Escoamento superficial vs. tempo, para seis superfícies (Araújo et. al., 2000) 8

11 Tabela 1 - Coeficientes de escoamento resultantes para cada superfície (Marchiori et. al., 2012, adaptado de Araújo et. al., 2000) Os resultados mostram a contribuição positiva de sistemas permeáveis mesmo em comparação com uma superfície sem intervenção urbana (solo compactado). Lembrando que, pelo método racional (Q = c. i. A), quanto menor o coeficiente de escoamento c, menor o escoamento superficial direto. Azzout et al. (1994) e Fach et. al.(2002) também realizaram uma comparação segundo diversos aspectos dos pavimentos (desta vez também incluindo o asfalto poroso). A seguir, é apresentada uma tabela que sintetiza esses resultados para os critérios mais relevantes para o escopo do presente relatório. Tabela 2 - Comparação entre superfícies (adaptado de Marchiori et. al., 2012) 9

12 5. Bibliografia ARAÚJO, P. R., TUCCI, C. E. M., GOLDEFUM J. A. Avaliação da eficiência dos pavimentos permeáveis na redução do escoamento superficial. Instituto de Pesquisas Hidráulicas da UFRG. Porto Alegre, BERNUCCI at. al. Pavimentação Asfáltica: formação básica para engenheiros. Rio de Janeiro, Petrobras, CIRIA-Construction Industry Research and Information Association. The SUDS manual. London, 2007, CIRIA. MADRID, Germano. Pavimento intertravado: mais ou menos permeável? Revista Pisma, ed. 14, 2010 MARCHIORI et. al., Pavimento Intertravado Permeável - Melhores Práticas. São Paulo, Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP), PINTO, C. Curso básico de mecânica dos solos. Oficina de textos. 2ª edição. São Paulo, 2008 SICEPOT -MG. Apresentação: Pavimentos permeáveis. Workshop Pavimentos Drenantes com Revestimento Asfáltico