0777 hidraulicacosteira

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0777 hidraulicacosteira

  1. 1. 7. NOÇÕES DE HIDRÁULICA MARÍTIMA E  PROTEÇÃO COSTEIRA Unidade Curricular: Hidráulica, Hidrologia & Recursos Hídricos Docente: Prof. Dr. H. Mata‐Lima Universidade da Madeira, 2010 Este documento foi escrito com base nas regras do novo acordo ortográfico. Homenagem ao Magnífico Prof. Doutor Ernâni Lopes
  2. 2. Homenagem ao Magnífico Prof. Doutor Ernâni Lopes Situação Actual do País Solução para o Futuro I hear, I forget; I see, I remember; I do, I understand. Chinese Proverb "When  you  can  measure  what  you  are  speaking  about,  and  express  it  in  numbers,  you  know something about it ... and  you  have,  in  your  thoughts,  advanced  to  the  stage  of  science". William Thomson, Lord Kelvin, Irish Mathematician and  Physicist, 1894
  3. 3. Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7-5 Este documento foi elaborado essencialmente com intuito  de apresentar noções básicas de: teoria linear das ondas; transporte de sedimentos na zona costeira; proteção da zona costeira; galgamento de estruturas marítimas. NOÇÕES DE HIDRÁULICA MARÍTIMA E  PROTEÇÃO COSTEIRA Docente: H. Mata-Lima, PhD. Univ. Madeira 7-6 Figura. Perfil de praias de areia (U.S. Army Corps of Engineers, 1992). CLASSIFICAÇÃO DA ZONA LITORAL: MORFOLOGIA Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira Nearshore
  4. 4. Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐7 Figura. Processo das Ondas na ‘Nearshore zone’ (adaptada de U.S. Army Corps of Engineers, 1992) CLASSIFICAÇÃO DA ZONA LITORAL: PROCESSO DAS DONAS Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐8 Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira Aspectos Relevantes A  zona  costeira  (ZC)  é uma  «zona  de  amortecimento» (‘buffer‘) natural entre a terra e  o mar;  É uma  zona  altamente  dinâmica  que  está sujeita  à tempestades,  variações  sazonais,  e  outros  eventos  tais  como  El  Niño,  tsunami, subida  do nível do mar e subsidência da  terra; A  condição/estabilidade  da  zona  costeira  é também  controlada  pela  erosão  e  acreção/deposição de materiais. Fonte: Buscombe & Masselink (2006)
  5. 5. Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐9 Aspectos Relevantes A  zona  litoral  é uma  interface  dinâmica entre a terra e o oceano.  Corresponde  a  zona  onde  a  energia das ondas se dissipa; As  mudanças  na  zona  costeira  podem  ter  origem  natural  ou  antrópica  e constituem o objecto  de estudo da engenharia costeira; A  intervenções  humanas  que  visam  compor  a  “degradação” da  zona  costeira  ou  alterar  os  processos  de  transporte  de  sedimentos  provocam  perturbações na dinâmica da zona  costeira. Fonte: Buscombe & Masselink (2006) Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira A circulação da água na zona  litoral  resulta  da  combinação  de correntes oceânica, de maré (‘tidal’), induzida pelas ondas e  pelo vento; Os  sedimentos  (carga  sólida)  movem‐se  na  direção  da  corrente; As  correntes  de  circulação  causadas  pela  “rebentação  das  ondas” (‘breaking  waves’)  são  as  mais  importantes  para  o  transporte litoral; Fonte: Buscombe & Masselink (2006) Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐10 Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira
  6. 6. Na  dinâmica  litoral  é comum  limitar‐se  a  abordagem  a  circulação  desencadeada  pelas  ondas; Quando  a  onda  se  propaga  e  rebenta na surf zone, a quantidade  de  movimento  é transferida  parcialmente  para  alterar  o  nível  da água e gerar correntes. Fonte: Buscombe & Masselink (2006) Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐11 Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 5‐12 CORRENTE ‘LONGSHORE’ – se a rebentação das ondas ocorre segundo  um  ângulo  oblíquo  em  relação  à linha  da  costa,  gera‐se  uma  corrente  ‘longshore’ pelo gradiente da quantidade de movimento na ‘surf zone’ Quando a aproximação da corrente é normal à costa Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira
  7. 7. TRANSPORTE DE SEDIMENTOS a)O leito do oceano, em zonas pouco profundas (shallow water) próximas da costa,  é constantemente  agitado  pela  passagem  das  ondas  marítimas.  Gorshkov  &  Yakushova  (1967,  apud  Silveira  &  Varriale,  2005:  196)  referem  que  as  ondas  marítimas  de  tempestade  podem  movimentar  areia  do  fundo  do  oceano  até profundidade de 200 m, podendo manifestar‐se, excecionalmente até 400 m nas  costas da Escócia. b)O  transporte  de  sedimentos  na  zona  costeira  (‘nearshore’)  pode  ser  por  arrastamento (‘bed load’) e/ou suspensão (‘suspended load’). O tipo de transporte  varia em função do sedimento e das condições das ondas;  c)O  cálculo  do  transporte  de  sedimentos  ao  longo  da  costa  (‘longshore  sand  transport’) baseia‐se na relação empírica entre o taxa de transporte volumétrica e  na  componente  ‘longshore’ do  fluxo  de  energia  da  onda  avaliado  na  zona  de  rebentação (‘breaker zone’); d)O fluxo de energia da onda – calcula‐se em termos da altura e período da onda; e)As taxas (ou caudal) de transporte são expressos em m3/dia ou m3/ano. Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐13 Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira VARIABILIDADE NO TRANSPORTE DE SEDIMENTOS: a) A  taxa  de  transporte  de  sedimentos  pode  variar  (e.g.  à escala  diária,  sazonal,  anual,  por  evento…) significativamente num  dado local; b) Um evento de grande intensidade  (e.g.  tempestade,  maré brava)  provoca  variabilidade  na  largura  da  praia  pela  modificação  do  perfil  da  praia  (‘nearshore  profile’)  e  pelo  transporte  do  material  da  praia  para  ‘offshore’ (zona afastada da costa); Fonte: U.S. Army Corps of Engineers (1989: 5‐4). Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐14 Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira
  8. 8. VARIABILIDADE NO TRANSPORTE DE SEDIMENTOS (cont.): c) Dependendo  do  ângulo  de  incidência do trajecto (‘track’), as   tempestades  podem  também  gerar  correntes  que  invertem  a  direcção  do  transporte  ao  longo  da costa (‘longshore transport’); d) A  magnitude  e  direção  do  transporte ao longo da costa pode  variar  ao  longo  do  percurso  devido  à transformações  das  ondas ou mudança da atitude (e.g.  ângulo/orientação)  da  linha  da  costa. Fonte: U.S. Army Corps of Engineers (1989: 5‐5) Fonte: USACE (1995: 2‐8) Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐15 Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐16 AS ONDAS As  ondas  marítimas  são  ondas  de  gravidade  (resultantes  da  influência  do  campo gravitacional) que se propagam na  interface líquido‐ar; As  ondas  são  a  força  dominante  que  controla os processos na zona litoral; A determinação das condições das ondas  é um  requisito  para  se  estimar  as  correntes e o transporte de sedimentos na  costa; As  ondas  influenciam  de  modo  significativo  o  planeamento  e  o  dimensionamento de estruturas costeiras; A  onda  é o  principal  factor  na  determinação da geometria e composição  das praias. Fonte: U.S. Army Corps of Engineers (1989: 4‐21) Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira
  9. 9. Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐17 AS ONDAS: Teoria Linear da Onda, LWT (‘Airy wave theory’) As  ondas  no  oceano  apresentam  uma  variabilidade  (e.g.  mudam  constantemente de crista) complexa, sobretudo quando sofrem influência do  vento; Na  prática  corrente  assume‐se  que  as  ondas  são  simplesmente  periódicas,  pelo que cada onda é exactamente igual às outras; Assume‐se que a superfície livre é sinusoidal com uma amplitude  da crista  (ac). H – altura da onda (m) d – profundidade da água (m) NMA – nível média da água (m) ac – amplitude da crista (m) λ – comprimento de onda (m) λ Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira cava Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐18 AS ONDAS: Teoria Linear da onda (continuação) Figura. Definições de ondas elementares, sinusoidais e progressivas (USACE, 1989: 5­2).  Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira λ (Fundo da calha – ou cava) (Crista) (Fundo ou leito) (altura) (amplitude)
  10. 10. Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐19 AS ONDAS: Teoria Linear da onda (continuação) Comprimento de onda (λ) ­­ Equação válida para água pouco profunda (‘shallow  water’ d/λ < 1/25) ou de profundidade intermédia (1/25 < d/λ < 1/2). Lo – é o comprimento de onda de águas profundas (ver tabela  3.1) d – profundidade da água (m)                                                          Esta equação conduz a erro relativo inferior a 2% quando             d/Lo < 0,3;  T – período da onda (s) Período da Onda (T) ( ) ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −= 0 2 1 0 3 12 L d dL π πλ 2 2 0 56,1 2 T gT L == π c T λ = Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira NOTA: Quando λ >> d (e.g. situação correspondente as ondas  marítimas  comuns  próximas  do  litoral  e  aos  tsunami  mesmo  no  alto  mar)  significa  que  a  amplitude  da  componente  longitudinal  é muito  superior  que  a  amplitude da componente transversal; A  amplitude  longitudinal  é independente  da  profundidade, mas a transversal decresce linearmente  com a profundidade, anulando‐se próximo do leito do  oceano. Continua no slide seguinte... λ Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 5‐20 AS ONDAS: Teoria Linear da onda (continuação) Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira Na  equações  que  se  seguem  a e  b devem  ser  interpretados  como  amplitudes  da  componente transversal e longitudinal, respectivamente. ( ) d z HHdza ≅,, ( ) kd H Hdzb ≅,, A equação da componente transversal (a) demonstra que a amplitude da oscilação  transversal é máxima na superfície (i.e. quando z = d) e decresce linearmente com o  aumento da profundidade (i.e. diminuição de z), anulando‐se no fundo (leito). A equação da componente longitudinal (b) demonstra que a amplitude da oscilação  longitudinal da onda marítima é independente da profundidade, sendo muito maior do  que a amplitude transversal.    Pelo exposto, quanto maior o z (i.e. quanto maior a profundidade (d – z)) menor será o  tamanho dos  semi‐eixos. Próximo do leito do oceano (z = 0) obtém‐se a =  0 o que  implica que a amplitude da oscilação transversal se anula, sendo máxima e igual a H na  superfície do oceano (onde z= d). λ π2 =k x z y
  11. 11. Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 5‐21 Fonte: U.S. Army Corps of Engineers (1992) AS ONDAS: Teoria Linear da onda (continuação) ou λ Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐22 AS ONDAS: velocidade de propagação Elmore & Heald (1985: 187) apresentam a seguinte equação da velocidade  de propagação das ondas (c) na superfície de líquidos: onde: d ‐ é a profundidade da água; λ ‐ o comprimento de  onda. ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = λ π π λ dg c 2 tanh 2 Figura.  Velocidade das  ondas  vs comprimento da  onda  para diferentes profundidades (Silveira & Varriale, 2005:  193).   Existem  excepções  em  que  a  profundidade  do  mar  pode atingir 10 km. Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira
  12. 12. Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐23 EXERCÍCIO DE APLICAÇÃO SOBRE AS ONDAS Considere que uma onda com comprimento de onde de 400 m ocorre numa zona onde  a profundidade da água é de 2 km. a) Determine a velocidade de propagação da onda. b) Determine o período da onda. ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = λ π π λ dg c 2 tanh 2 m/s25m/s98,24 ≅=c c T λ = s16=T Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira A informação sobre o limite de aplicação da LWT consta de USACE (1992: 3‐1). Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐24 STORM SURGE IN A ENCLOSED BASIN Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira STORM SURGE / ONDAS DE TEMPESTADE COM VENTOS FORTES A oscilação (subida) do nível de água numa bacia fechada (e.g.  lagos e reservatórios)  causada pela tensão de arrastamento de vento é conhecida como ‘wind setup’ (elevação  do nível da água provocada pelo vento). d FU S 1400 2 = onde: S – set­up ou subidade em relação ao still­water level ‐ SWL  (ft);  U – velocidade do  vento  (miles/h);  F  – fetch – extensão  da  zona  de  influência  do  vento(miles);  e  d – altura  média  da  água  acima da fetch (ft). A  velocidade  do  vento  (wind  speed)  é assumida,  por  defeito,  como  sendo  referente  à altitude de 10 m (33 ft).  Nota: consulte http://www.vos.noaa.gov/MWL/apr_06/waves.shtml. http://www.kennisbank­waterbouw.nl/CressHelp/A1.1/Z1.htm Figure. Wave height is dependent on a) wind speed; b) fetch length; and c) duration of  time the wind blows consistently over the fetch (Fonte: NOAA ‐ http://www.noaa.gov/). R – nível máximo de espraiamento. Figura. Definição ilustrativa dos termos da wave set­up (USACE,  1989: 3­6).
  13. 13. Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐25 Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira Quando  os  registos  da  velocidade  do  vento  são  obtidos  para  qualquer  altura  diferente  de  33  ft  (10  m),  a  velocidade  deve  ser  corrigida  como  se  apresenta  a  seguir:  ZZ URU Z U 33 7 1 33 33 =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = onde:  U33 ‐ é a  velocidade  do  vento  a  altura  de  33  ft;  UZ – a  velocidade  do  vento  medida a uma distância Z acima da superfície. Método válido para Z < 65 ft (20 m). Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐26 Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira Curiosidade sobre o TSUNAMI: As ondas de tsunami podem ser geradas por diversas fontes, tais como as que a  seguir  se  destacam:  i)  submarine  earthquakes;  ii)  volcanics  eruptions;  iii)  landslides; iv) explosions.  Os  tsunami podem  ter  comprimento  de  onda  (λ)  da  ordem  de  centenas  de  quilómetros onde a profundidade do mar é de 5 km, ou seja d/λ<1/25. Portanto,  aplica‐se a equação de shallow water ao cálculo da velocidade de propagação da  onda  {i.e.  c =  (gd)1/2}.  Logo,  a  velocidade  de  propagação  dos  tsunami é muito  superior a das ondas marítimas comuns. Por exemplo, para uma profundidade de  4 km tem‐se uma velocidade  de 713 km/h. AS ONDAS: Energia Mecânica Transportada A energia mecânica (E) transportada pelas ondas marítimas é expressa pela equação: onde:  ρ ‐ é a  massa  volúmica  da  água;  g – aceleração  da  gravidade; H – amplitude da componente transversal da onda;  λ ‐ o comprimento de onda; e z – extensão da frente da onda. zgHE λρ 2 2 1 =
  14. 14. Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐27 Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira Figura. Movimento horizontal perpendicular ao declive continental (USACE, 1989: 4‐3). O maior tsunami registado ocorreu, a 9 de julho de 1958, no Alasca quando 90  milhões de toneladas de rocha e gelo desabaram dentro de uma baía (Lituya Bay)  provocando uma onda com cerca de 50 m de água, elevando a água  até 524 m  (Bryant, 2001, apud Silveira & Varriale, 2005: 191). Um  barco  de  12  m,  de  um  casal  de  navegadores,  foi  apanhado  pela  onda  e  transportado  (como  se  tratasse  da  prática  de  surfe – ‘surfou’)  durante  alguns  minutos e foi deixado ileso no alto mar. Os navegadores relataram que durante o  surfe observaram,  a  uma  cota  inferior,  as  árvores  da  floresta  que  circundava  a  baia (Tufty, 2001, apud Silveira & Varriale, 2005: 191). Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐28 Curiosidade sobre o TSUNAMI (continuação): Em alto mar o tsunami possui amplitude pequena; A grande quantidade de energia transportada pelo tsunami em alto mar deve‐se ao  grande comprimento de onda (pode atingir centenas de quilómetros); Ao aproximar‐se da costa (zona de água pouco profunda) a velocidade de propagação  (c) e o comprimento de onda (λ) baixam significativamente; Devido ao facto de haver pouca dissipação de energia, no processo acima referido,  pode considerar‐se que a Energia transportada permanece constante (E1 = E2); zgHE λρ 2 2 1 = 21 EE = 22 2 211 2 1 zHzH λλ = 2 1 2 1 2 1 2 1 1 2 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = z z H H λ λ Um tsunami com amplitude transversal de 1 m e comprimento de onda de 200 km  transporta, ao longo do seu comprimento de onda, a energia mecânica de 1 GJ por  metro da sua frente de onda. Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira
  15. 15. Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐29 AS ONDAS: Energia Mecânica Transportada (continuação) Assumindo  que  a  extensão  da  frente  de  onda  se  mantém  constante  (i.e.  z1 =  z2)  a  equação anterior transforma‐se em: 2 1 2 1 2 1 2 1 1 2 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = z z H H λ λ Como a razão entre os λ é igual a razão entre as c 2 1 2 1 2 1 2 1 1 2 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = z z c c H H 2 1 2 1 2 1 2 1 1 2 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = z z d d H H 4 1 2 1 1 2 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = d d H H Exemplo de Aplicação Considere  um  tsunami  que  passa  do  alto  mar  (tendo  1  m  de  amplitude  transversal  máxima  onde e a profundidade do mar é de 5 km) para uma região próxima da costa  (onde  a  profundidade  do  mar  é de  20  m).  Calcule  a  amplitude  transversal  máxima  atingida na zona da costa. 4 1 2 m20 m5000 m1 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = H m98,32 =H Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐30 AS ONDAS: Rebentação A ocorrência de rebentação da onda depende das seguintes variáveis: um factor geométrico (k) relacionado com o fundo (leito) do oceano; amplitude transversal máxima da onda (H); período da onda (T) k gT H Br 2 = Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira Existe um parâmetro de rebentação da onda (Br) (Bryante, 2001, apud Silveira &  Varriale, 2005: 202): A rebentação da onda ocorre quando Br > 1. Nota: as ondas marítimas comuns causadas pelo vento apresentam períodos (T) muito  inferiores aos de um tsunami. Enquanto  que  mesmo  as  ondas  de  tempestade  apresentam  períodos  da  ordem  de  poucas dezenas de segundos, nas ondas de um tsunami podem atingir até 30 minutos.
  16. 16. Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐31 Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira Curiosidade sobre o TSUNAMI (continuação): À medida que o tsunami se aproxima da costa a amplitude cresce e o comprimento de  onda reduz‐se (ver figura); Quando o tsunami alcança regiões de baixa profundidade da água é que adquire altura  muito elevada (i.e. dimensão gigante);  Figura.  Ilustração  das  características  da  onda  de  um  tsunami ao  aproximar‐se  da  costa.  Nota­se  que  a  velocidade  de  propagação  e  o  comprimento  de  onda  diminuem  e  a  amplitude aumenta. Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐32 Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira Curiosidade sobre o TSUNAMI (continuação): O tsunami que assolou Sanriku em 1896 passou despercebido aos pescadores que se  encontravam a alguns quilómetros da costa, navegando em frágeis embarcações; após  regressarem para casa ficaram perplexos ao ver o cenário de destruição (Tufty 1987,  apud Silveira & Variale, 2005: 201); Para  as  ondas  na  condição  λ >>  d (como  é o  caso  dos  tsunami)  a  amplitude  da  componente transversal é máxima na superfície, anulando‐se no fundo do oceano.  A  amplitude da componente longitudinal é muito maior que a amplitude da componente  transversal máxima (i.e., na superfície). Exemplo: os turistas que mergulhavam em frente a uma das praias devastadas pelo tsunami  de 26 de  dezembro  de  2004  relataram  que  estavam  próximos  ao  fundo  do  oceano  e  que  apenas  sentiram  uma  corrente  forte.  Quando  regressaram  ao  barco, verificaram  que  os  objectos estavam desarrumados. Tal desordem tinha sido causada pela agitação mais forte  que ocorreu na superfície.
  17. 17. Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐33 Figura. Registo ilustrativo de agitação marítima (Goda, 1985).  Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira ESTATÍSTICA DAS ONDAS MARÍTIMAS Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐34 ESTATÍSTICA DAS ONDAS MARÍTIMAS Estatística das ondas A probabilidade de ocorrer uma onda com altura H [P(H)] é expressa pela equação  que traduz a distribuição de Rayleigh: Hrms – é a raiz quadrada da média das alturas da onda e caracteriza a distribuição das  ondas (ver Tabela 3.3). Para  ser  estatisticamente  descritiva  de  um  local,  as  observações  têm  que  ser  registadas durante pelo menos 20 dias de cada mês ao longo de um período de três  (3) anos. (USACE, 1989: 5‐8). ( ) ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − −= 2 2 exp1 rmsH H HP 2 1 1 21 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = ∑= N n nrms H N H Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira
  18. 18. Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐35 Fonte: U.S. Army Corps of Engineers (1992) Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐36 Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira ESTRUTURAS DE PROTEÇÃO COSTEIRA ALTURA DE PROTEÇÃO (segundo USACE, 1995: 2‐5) A  seleção  da  altura  de  proteção  requer  que  se  considere  o  nível  máximo  da  água,  previsão de deposição  de sedimentos,  folga  (freeboard),    wave  runup  (altura  vertical  acima  do  nível  de  repouso  – NR  ou  SWL  – que  a  onda  pode  atingir  na  estrutura)  e  galgamento. Altura máxima da subida da onda acima do nível de repouso (Rmax) ξ ξ 247,01 286,1 max max + = H R 2 1 2 max2 tan ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = pgT Hπ θ ξ onde: θ ‐ ângulo do revestimento da estrutura com o plano horizontal; Lp – comprimento  de onda; Tp é o período máximo da onda (ou, em alternativa, o período médio de 1/3 das  ondas maiores). SWL Figura.  Exemplo  de  estrutura  de  proteção  costeira (adaptada de Brito (2007: 23). θ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = p p L d LH π2 tanh10,0max ( ) pp TgdL 2 1 =
  19. 19. Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐37 As figuras seguintes foram adaptadas de Brito (2007: 23). Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira GALGAMENTO de Estruturas de Proteção Costeira O  caudal  de  galgamento  das  estruturas  costeiras  é função  de  vários  parâmetros  conforme se apresenta a seguir: q = f (Hs, Tm, β, Rc, h, g) onde:  q – caudal  de  galgamento  por  unidade  de  largura  da  estrutura;  Hs – altura  significativa;  Tm – período  médio  da  onda  na  frente  da  estrutura;  β – ângulo  de  incidência da onda; Rc – distância entre a cota de coroamento da estrutura e o nível  de repouso; h – profundidade na frente da estrutura; e g – aceleração da gravidade. Estrutura simples de talude permeável h 7‐38 As figuras seguintes foram adaptadas de Brito (2007: 23). Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira Exemplos de Estruturas de Proteção Costeira Estrutura de talude permeável com muro cortina. Estrutura de parede vertical Estrutura de parede vertical com talude emerso Estrutura de parede vertical com talude submerso
  20. 20. 7‐39 No  que  concerne  às  estruturas  simples  de  parede  vertical  o  caudal  de  galgamento (ft3/ft) pode ser obtido pelo seguinte procedimento (USACE, 1995:  2‐6/7): Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira Galgamento de Estruturas de Proteção Costeira Estrutura de parede vertical ( ) ( ) ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = h F C LH F CC gH Q 2 3 1 0 2 max 10 2 1 3 max exp onde: C0, C1, C2 – são coeficientes que assumem os valores de 0,338, – 7,385 e – 2,178,  respectivamente;  F – folga  medida  desde  NR  até a  cota  do  coroamento/crita  da  estrutura; h – profundidade da base da estrutura. Os restantes parâmetros já foram definidos anteriormente .  F h NR ou SWL π2 2 0 pgT L = Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐40 Quadro. Equações para o cálculo de caudal galgado (Soliman, 2003, apud Brito, 2007: 23) Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira
  21. 21. Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐41 Quadro. Equações para o cálculo de caudal galgado (continuação). Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐42 MATERIAL LITORAL O comportamento das praias depende essencialmente de: composição e tamanho dos sedimentos; natureza  e  intensidade  das  ondas  e  correntes próximas da costa (‘nearshore’). O  sedimento  litoral  de  ilhas  vulcânicas  corresponde  a  fragmentos  de  lavas  do  basalto  ou  minerais  individuais  procedentes de lavas. Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira
  22. 22. Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐43 TAMANHO DO MATERIAL LITORAL O tamanho dos materiais que constituem o sedimento  das  praias varia  de  grandes blocos a areia fina. No âmbito da hidráulica marítima, a classificação do diâmetro do material é feita de acordo com a escala phi (φ): ;  com D em mm Quanto maior o valor do phi menor é o diâmetro do material. Escala de classificação Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira φ− = 2D DD 102 log3219,3log −=−=φ Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐44 Erosão e Acreção (deposição) Estudos  laboratoriais  e  medições  de  campo  indicam  que  as  variáveis  seguintes  determinam quando ocorre erosão ou acreção  (deposição) na zona da praia. Tabela de valores de w Fonte: USACE (1992: 4‐4) Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira Declividade da onda Parâmetro de velocidade de queda
  23. 23. Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐45 Tabela de valores de w Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐46 Exemplos de Obras de Protecção Costeira Fonte: U.S. Army Corps of Engineers (1989: 5‐8) Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira
  24. 24. ESTABILIDADE DO MATERIAL (e.g. quebramar) DE PROTECÇÃO COSTEIRA: onde:  W – peso de cada unidade do material a ser  colocado, lb (ou W50 para enrocamento); H – altura da onda (ft) KD – coeficiente  de  estabilidade  (valor  tabelado – ver slide seguinte). θ – inclinação  da  estrutura  em  relação  ao  plano horizontal; γ – peso volúmico (lb/ft3). Fonte: U.S. Army Corps of Engineers (1989:  5‐5) Fonte: USACE (1995: 2‐8) Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐47 Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira θ γ γ γ cot1 3 3 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = agua s D s K H W Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐48 Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira Fonte: USACE (1995: 2‐9)
  25. 25. Docente: H. Mata‐Lima, PhD. Univ. Madeira 7‐49 Brito,  S.F.  (2007).  Estudo  do  Galgamento  em  Estruturas  Marítimas.  Disserteção  de  Mestrado  em  Engenharia Civil, Instituto Superior Técnico (IST), Lisboa. Buscombe, D., Masselink, G. (2006). Concepts in Gravel Beach Dynamics. Earth‐Science Reviews, 79:  33‐52. Goda, Y. (1985). Random Seas and Design of Maritime Structures. University of Tokyo Press, Tokyo. Silveira, F.L., Varriale, M.C. (2005). Propagação das Ondas Marítimas e dos Tsunami. Cad. Bras. Ens.  Fís., 22(2): 190‐208.  U.S.  Army  Corps  of  Engineers  (1989).  Environmental  Engineering  for  Coastal  Shore  Protection.  Engineer Manual, EM 1110‐2‐1204, Washington, DC. U.S. Army Corps of Engineers (1992). Engineering and Design. Coastal Litoral Transport. Engineer  Manual, EM 1110‐2‐1502, Washington, DC. U.S.  Army  Corps  of  Engineers  (1995).  Design  of  Coastal  Revetments,  Seawalls,  and  Bulkheads.  Engineer Manual, EM 1110‐2‐1614, Washington, DC. REFERÊNCIAS Dinâmica Litoral e Engenharia Costeira

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