ESCOLA POLITÉCNICA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO PHA 2537 Águas em Ambientes Urbanos Relatório Pavimentos porosos e sua influência na drenagem urbana Data: 05/11/2012 Daniel Torres de carvalho Puliti N USP 5693480 Felipe Torres Boareto N USP 5945618 Francisco Enkei Coltro N USP 5949709 Pedro Paulo Barsaglini Navega N USP 5693312
Sumário Pavimento Poroso... 3 Análise da taxa de infiltração... 5 Vantagens e Desvantagens:... 7 Classificações de Pavimento Poroso... 9 Pavimento Permeável tipo A... 10 Pavimento Permeável tipo B... 10 Pavimento Permeável tipo C... 11 Dimensionamento... 12 Estudo de Aplicação Pavimento Poroso... 14 Estimativa de parâmetros... 14 Análise de custos dos pavimentos permeáveis...15 2
Pavimento Poroso A utilização de pavimentos permeáveis tem como premissa reduzir ou retardar a vazão drenada superficialmente, melhorar a qualidade da água e contribuir para o aumento da recarga de água subterrânea. O conceito de pavimento poroso foi desenvolvido por volta dos anos 70, no Franklin Institute na Filadélfia, PA, USA.O pavimento poroso pode ser feito a partir de concreto ou asfalto. Ele consiste em um pavimento onde não existem os agregados finos, isto é, partículas menores que 600μm. O asfalto tem agregados com vazios de 40% e o concreto com 17% aproximadamente. Figura 1: Exemplo de concreto poroso Fonte: flowstobay.org O pavimento poroso, além de seus benefícios hidrológicos, pode também servir como um filtro fazendo com que a água que infiltre no lençol freático seja mais limpa. Importante salientar que se a água drenada da região for muito poluída esta técnica pode aumentar a poluição difusa no lençol freático, devendo-se então utilizar pavimentos permeáveis com a última camada impermeável e com drenos que direcionem a água de volta para o rio, portanto o pavimento poroso, neste caso, somente terá a função de retardar a onda de cheia. O pavimento poroso é constituído por 5 camadas: 3
1 camada: camada de asfalto com espessura entre 65mm a 100mm; 2 camada: filtro granular com espessura entre 25mm a 50mm e agregado de 13mm; 3 camada: reservatório de pedra com diâmetro entre 40mm a 75mm (pedra britada n3 e n4) 4 camada:filtro granular que é a interface entre o reservatório de pedra e o geotêxtil. Tem espessura de 50mm e possui agregados de 13mm; 5 camada: geotêxtil; Em uma visão mais ampla, a função principal do pavimento poroso é fazer com que o escoamento superficial infiltre rapidamente no revestimento poroso, assim a água passará pelas camadas citadas acima, assim a capacidade de armazenamento é dada unicamente pela capacidade do reservatório (camada 3). Algumas considerações para o dimensionamento do pavimento poroso devem ser feitas como: A condutividade hidráulica mínima do sub-leito em que pode ser considerada a infiltração no solo é de 0,36mm/h conforme CIRIA, 2007, enquanto segundo TUCCI o mínimo deve ser de 7mm/h. A superfície de infiltração do pavimento poroso deve ter condutividade hidráulica maior que a intensidade da chuva conforme CIRIA, 2007; O pavimento poroso não deve ser construído em regiões com inclinações maiores que 5%; O lençol freático deverá estar no mínimo a 1,20m do fundo do pavimento poroso. 4
Análise da taxa de infiltração Araújo et AL. (2000) utilizaram um simulador de chuvas para comparar os valores de escoamento superficial gerados por seis diferentes superfícies comumente utilizadas para pavimentação permeável: Solo compactado; Concreto convencional; Pavimento de paralelepípedo e juntas de areia; Pavimento com blocos de concreto e juntas de areia; Blocos de concreto vazados, preenchidos com areia; Concreto poroso. O simulador de chuvas utilizado possuía módulos de 1m² de cada uma das superfícies e a chuva utilizada tinha um período de retorno de cinco anos. Figura 2: Módulos de 1m² utilizados na simulação do escoamento superficial Fonte: Araújo et al., 2000 Os resultados das simulações foram resumidos nos gráficos abaixo: 5
Figura 3: Escoamento superficial em diversa superfícies, para chuva TR = 5 anos Fonte: Araújo et a,. 2000. Os pesquisadores chegaram então à conclusão de que o concreto poroso e os blocos vazados apresentaram valores de coeficientes de escoamento superficial de apenas 5%. Um estudo relevante em macrodrenagem envolvendo pavimento poroso foi feito por Souza et al. (2001), onde simularam a bacia do arroio Moinho, em Porto Alegre, com o objetivo de observar o hidrograma de saída após a implementação de quatro tipos de dispositivos de controle, sendo eles: Sem o uso dos dispositivos; Com o uso de micro-reservatórios; Com o uso de pavimentos permeáveis; Com uso de trincheiras de infiltração. Os resultados obtidos no estudo são apresentados a seguir: 6
Figura 4: Simulação da bacia do arroio Moinho, para chuva de TR = 5 anos Fonte: Souza et al. 2001 Nesse estudo o pavimento permeável se mostrou a alternativa mais eficiente para redução de escoamentos superficiais. Segundo TUCCI (2000) os pavimentos permeáveis são as estruturas mais sugeridas pelos planos diretores das cidades. Porém a implementação de tal técnica é barrada pelo pouco conhecimento técnico que os profissionais possuem dela. Vantagens e Desvantagens: CIRIA (1996) lista as seguintes vantagens dos dispositivos de infiltração: A infiltração reduz o volume total de água que entraria na rede de drenagem, diminuindo o risco de inundação nos sistemas a jusante. Os dispositivos de infiltração podem ser usados onde não haja rede de drenagem que possa absorver o escoamento proveniente do empreendimento; Ao controlar o escoamento superficial na fonte, os dispositivos de infiltração reduzem os impactos hidrológicos da urbanização; 7
Por não sobrecarregarem a rede de drenagem, os dispositivos de infiltração evitam o dispêndio com a ampliação da rede; A infiltração pode ser usada para aumentar a recarga do aquífero quando a qualidade do escoamento superficial não comprometer a qualidade da água subterrânea; A construção dos dispositivos de infiltração é normalmente simples e rápida; Os custos em toda a sua vida útil podem ser menores que em outros sistemas de drenagem. Com relação especificamente aos pavimentos permeáveis cita-se as seguintes vantagens: Tratamento da água da chuva, através da remoção de poluentes; Diminuição da necessidade de meio-fio e canais de drenagem; Aumento da segurança e conforto em vias, pela diminuição de derrapagens e ruídos; É um dispositivo de drenagem que se integra completamente à obra, não necessitando de espaço exclusivo para o dispositivo. Sobre as desvantagens do pavimento permeável: Pouca perícia dos engenheiros e contratantes com relação á tecnologia; O pavimento poroso tem a tendência de tornar-se obstruído, se inapropriadamente instalado ou mantido; O pavimento poroso envolve um risco de falha considerável (devido à colmatação ou má construção); Há o risco de contaminação do aqüífero, dependendo das condições do solo e da suscetibilidade do aqüífero. 8
Classificações de Pavimento Poroso A) Pavimento poroso em concreto Figura 5: Pavimento poroso em concreto Fonte: www.flowstobay.org B) Pavimento poroso em blocos Figura 6: Pavimento poroso em blocos Fonte: www.flowstobay.org C) Pavimento poroso com grama reforçada Figura 7: Pavimento poroso com grama reforçada 9
Fonte: www.flowstobay.org D) Pavimento poroso com pedregulhos Figura 8: Pavimento poroso com pedregulhos Fonte: www.flowstobay.org Com relação aos pavimentos de asfalto eles podem ser dos seguintes tipos: Pavimento Permeável tipo A Neste tipo de pavimento toda á água é infiltrada no solo e armazenada no reservatório de pedras britadas que se esvazia em aproximadamente 24h. Figura 9: Pavimento de concreto poroso tipo A Fonte: CIRIA, 2007. Pavimento Permeável tipo B 10
Neste tipo de pavimento somente parte da água é infiltrada no solo e o restante sai através de tubos perfurados instalado dentro da sub-base. Figura 10: Pavimento de concreto poroso tipo B Fonte: CIRIA, 2007 Pavimento Permeável tipo C Neste tipo de pavimento nenhuma água é infiltrada no solo, toda ela é escoada através de tubos perfurados instalado no reservatório de pedra britadas. Figura 11: Pavimento de concreto poroso tipo C Fonte: CIRIA, 2007 11
Dimensionamento O dimensionamento do pavimento permeável envolve a determinação do volume drenado pela superfície ou por outra contribuinte que escoe para a área do pavimento: A precipitação é obtida com base no tempo de retorno escolhido e da curva intensidade, duração e freqüência do local, TUCCI. Dimensionou-se o pavimento tipo A descrito acima, portanto o reservatório de pedras deve ser grande o suficiente para garantir que todo o volume de água infiltrada seja armazenado. O volume do escoamento superficial retido pelo pavimento poroso pode ser estimado através de: Vr = (Ip + c ia)*td Onde: Equação 1: Determinação do volume de reservação. Fonte: TUCCI, 1996. Vr é o volume de chuva a ser retido pelo reservatório em mm; Ip é a intensidade máxima da chuva de projeto em mm/h; Ia é a taxa de infiltração do solo em mm/h; Td é o tempo de duração da chuva em horas E c é um fator de contribuição de áreas externas ao pavimento determinado por: c = (Ip*Ac)/Ap Equação 2: Determinação do fator de contribuição para áreas externas. Fonte: TUCCI, 1996. Onde: Ac é a área externa de contribuição para o pavimento permeável; Ap é a área de pavimento permeável. 12
A profundidade do reservatório de pedras do pavimento permeável é determinada por: H = Vr/f Equação 3: Determinação da profundidade do reservatório de brita. Fonte: TUCCI, 1996. Onde: H é a profundidade do reservatório de pedras em mm; F é a porosidade do material. A porosidade pode ser determinada por: f = (Vl + Vg)/Vt Equação 4: Determinação da porosidade do reservatório de brita. Fonte: TUCCI, 1996. Onde: Vl é o volume de líquidos; Vg é o volume de vazios; Vt é o volume total da amostra. CIRIA, 2007 sugere que o dimensionamento dos pavimentos porosos seja da seguinte forma: H = D*(R*i q)/n Equação 5: Profundidade da camada de britas. Fonte: CIRIA, 2007. Onde: h é a produnfidade máxima da camada de pedras britadas (m); D= duração da chuva em horas; i= intensidade da chuva (m/h) q= condutividade hidráulica do solos (m/h) R= razão entre a área drenada com a área de infiltração; 13
n= porosidade do material. Estudo de Aplicação Pavimento Poroso Estimativa de parâmetros A condutividade hidráulica do solo será de 0,36mm/h mínimo segundo CIRA, porém TUCCI afirma que para que o pavimento seja viável a taxa de infiltração dele tem que ser de no mínimo 7,00mm/h. Consideraremos como exemplo que a infiltração no pavimento seja de 30mm/h ou 0,03m/h, o que corresponderia a um CN de 80. A porosidade mínima adotada é de 0,30. O período de retorno utilizado foi de 25 anos, pois gera obras de menor custo e risco aceitado assim como uma chuva de intensidade de 0,078m/h (duração de 1 hora, pois as chuvas mais problemáticas de São Paulo são as chuvas convectivas, e elas possuem duração baixa e intensidade alta). Neste caso o pavimento possui subbase portanto R=1. Utilizando o método de CIRIA e os dados arbitrados, chega-se à conclusão que não há necessidade de reservatório, pois o resultado é negativo porém recomenda-se a utilização de uma altura mínima que corresponde a 0,30m. Então as camadas do pavimento serão: Camada de pavimento permeável com altura de 0,10m; Camada de areia grossa de 0,05m a 0,10m; Camada de pedra brita nº3 com espessura de 0,30m; Camada de areia grossa de 0,05m 14
Geotêxtil (bidim) Análise de custos dos pavimentos permeáveis Ao avaliar custos em obras de engenharia, existem dois vieses a serem analisados: Economico: onde a análise considera todos os custos e benefícios reais para a sociedade; Finaceira: que considera somente custos e receitas diretas da obra (CIRIA,1996). Figura 12: Comparativo entre os tipos de material para a camada superficial Fonte: PINTO, 2008. 15
Foram desconsiderados os custos relativos a: Topografia Equipamentos e serviços; Sondagens e ensaios; Projetos, estudos e serviços; Movimento de terra; Foram considerados como materiais e serviços necessários para a execução dos pavimentos permeáveis os seguintes itens, discriminados na tabela a seguir: Materiais Unidade Preço Uni. Qtd¹ Total Brita graduada (diâm. 1,5cm) m³ R$ 0,012 0,30 R$ 0,00² Areia lavada grossa m³ R$ 0,025 0,20 R$ 0,01 Filtro Geotêxtil m² R$ 25,98 1,00 R$ 25,98 Pavimento m² R$ 13,78 1,00 R$ 13,78 Total Materiais R$ 39,77 Serviços Unidade Preço Uni. Qtd¹ Total Escavação m³ R$ 30,00 0,55 R$ 16,50 Assentamento geotextil m² R$ 8,020 1,00 R$ 8,02 Assentamento de base m³ R$ 10,50 0,30 R$ 3,15 Transporte Bota-Fora m³ R$ 32,00 0,55 R$ 17,60 1: Quatidade para 1 m² de pavimento Total Serviços R$ 45,27 2: Valor de R$ 0,0036 Total (R$/m²) R$ 85,04 Relação de custos. Fonte: Revista Pini. A tabela de custos, preços e composição da PINI fornece os serviços, os índices e materiais relativos para a execução deste pavimento. Os custos foram extraídos da revista Construção Mercado de julho de 2012. O custo total para execução deste pavimento permeável é de: R$ 85,04 relativo à execução de 1,0 m² de pavimento permeável. Para termos uma base de 16
comparação, a Prefeitura de São Paulo fornece o seguinte custo para um tipo específico de pavimento permeável: CÓDIGO DESCRIÇÃO UNIDADE CUSTO UNIT R$ PAVIMENTOS PERMEÁVEIS - PERFIL PARA CALÇADAS E 05-91-01 PASSEIOS COM PISO DE CONCRETO PRÉ-MOLDADO M2 85.94 INTERTRAVADO DRENANTE COM INFILTRAÇÃO TOTAL Tabela: Custos comparativos. Fonte: Prefeitura de São Paulo, 2011. 17