Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT)

Projeto PTDC/AAC-AMB/102846/2008:

“SISTEMA MÓVEL SEMI-AUTOMÁTICO DE DETEÇÃO DE ORIFÍCIOS NA IMPERMEABILIZAÇÃO DE ATERROS DE RESÍDUOS”

Relatório de atividade:

Luís César Ferreira Coimbra, bolseiro de investigação no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) entre Junho de 2011 e Setembro de 2013

Lisboa, Outubro de 2013

Índice de texto

1 – Enquadramento ............................................................................................................................... 3

2 – Familiarização com os principais aspetos construtivos e com os problemas associados à impermeabilização dos aterros de resíduos ...................................................................................... 3

3 – Desenvolvimento de programas informáticos ............................................................................. 3

4 – Colaboração no planeamento estrutural e concetual do protótipo ........................................... 4

5 – Acompanhamento da construção das células de aterro experimentais no campus do LNEC6

6 – Execução de ensaios nas instalações do ISEL, no campus do LNEC e em aterro.................. 9

7 – Processamento de dados provenientes dos ensaios de campo ............................................. 12

8 – Agradecimentos ............................................................................................................................ 13

9 – Publicações participadas ............................................................................................................. 13

Índice de tabelas

Tabela 1 – Sistema de impermeabilização aplicado a cada célula. ....................................................... 7

Índice de figuras

Figura 1 – Diagrama de fluxo do programa desenvolvido. ..................................................................... 4

Figura 2 – Primeira versão do protótipo de grandes dimensões. ........................................................... 5

Figura 3 – Segunda versão do protótipo de grandes dimensões (GeoSafe).......................................... 6

Figura 4 – Localização das células de aterro experimentais (adaptado da memória técnica da EGF).. 7

Figura 5 – Algumas fases de obra para a construção das células de aterro experimentais. ................. 8

Figura 6 – Deteção de rasgo nas instalações do ISEL e algumas das dificuldades encontradas. ...... 10

Figura 7 – Deteção de furo em sistema de impermeabilização com geocompósito bentonítico.......... 10

Figura 8 – Deteção de furo em sistema de impermeabilização sem geocompósito bentonítico.......... 11

Figura 9 – Exemplo do tipo de análise resultante dos ensaios estáticos. ............................................ 11

Figura 10 – Comparação de resultados entre alguns algoritmos de interpolação................................ 12

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1 – Enquadramento

Este relatório pretende resumir a atividade desenvolvida por Luís César Ferreira Coimbra enquanto bolseiro de investigação no âmbito do projecto supracitado, financiado pela FCT e acolhido pelo LNEC. A referida bolsa teve início em Junho de 2011, com um prazo inicial de 12 meses, tendo sofrido uma primeira prorrogação de 9 meses (de Junho de 2012 a Fevereiro de 2013) e uma segun-da de 7 meses (de Março de 2013 a Setembro de 2013).

Tal como descrito nos planos de atividades, a bolsa teve como objectivo a “colaboração no desenvolvimento físico e informático do equipamento, a utilizar na realização de ensaios para deteção de orifícios em geomembranas, bem como na execução de ensaios em instalações piloto” (construí-das no ISEL e no LNEC) “e em aterros de resíduos”. Considera-se que os objetivos foram cumpridos, tendo o bolseiro participado em todas as atividades com eles relacionadas.

De acordo com as alíneas c) e d) do nº 3 do artigo 5º, constante no Estatuto do Bolseiro de Investigação aprovado pela Lei nº 40/2004 e atualizado pelos diplomas Decreto-Lei nº 202/2012, Decreto-Lei nº 233/2012, Lei nº 12/2013 e Decreto-Lei nº 89/2013, foram exercidas outras atividades no LNEC que, não estando diretamente relacionadas com o projecto, beneficiaram-no pelo aprofun-damento de conhecimentos e pelo desenvolvimento de ferramentas que lhe foram posteriormente aplicadas, nomeadamente no planeamento de ensaios, processamento de dados, apresentação e in-terpretação de resultados.

2 – Familiarização com os principais aspetos construtivos e com os problemas associados à impermeabilização dos aterros de resíduos

Neste período foram aprofundados conhecimentos sobre alguns aspetos construtivos dos aterros de resíduos, principalmente no que respeita à sua impermeabilização, como também se pro-cedeu ao estudo de todo o trabalho previamente desenvolvido pela equipa de projeto.

A atividade centrou-se no estudo de publicações diversas sobre o tema, bem como na reco-lha de amostras de geomembrana, com prolongada exposição solar, em vários aterros de resíduos no país, incluindo a posterior análise à integridade das soldaduras e o respetivo tratamento de dados.

O trabalho desenvolvido permitiu:

compreender as dificuldades associadas à impermeabilização destas estruturas;

reconhecer os problemas mais frequentes e suas causas mais prováveis;

conhecer as metodologias existentes para avaliar a integridade do sistema de imper-meabilização e aquelas que atualmente se encontram em desenvolvimento;

ter a clara noção do trabalho já desenvolvido pela equipa de projeto, dos objetivos a atingir e da expetativa relativamente ao bolseiro.

3 – Desenvolvimento de programas informáticos

Foi estudado e recompilado um programa para processamento de dados provenientes de en-saios sísmicos e execução da respetiva tomografia. O trabalho consistiu no estudo do código e na sua recompilação, com um compilador mais recente, aumentando significativamente a sua capacida-de de cálculo. O compilador utilizado foi o COMPAQ VISUAL FORTRAN 95, uma vez que a versão anterior havia sido escrita em FORTRAN 77.

Os resultados obtidos com este programa foram a base para a seleção e calibração do algo-ritmo que constrói os mapas de isolinhas, resultantes dos ensaios para deteção de fugas em aterros

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de resíduos. Para esse efeito foi escolhido o programa comercial Surfer® da Golden Software, pela sua qualidade gráfica e multiplicidade de algoritmos interpoladores.

A interação entre o programa recompilado e o Surfer® exigiu o desenvolvimento de um se-gundo programa. Escrito em FORTRAN 95 e Visual Basic Scripting, este faz a conversão entre forma-tos de dados/resultados, executa o algoritmo de interpolação com os parâmetros de cálculo pretendi-dos e procede à montagem automática de imagens para apresentação e interpretação de resultados. A figura 1 ilustra o diagrama de fluxo envolvido neste processo.

Durante o mesmo período, houve colaboração com o LNEC na elaboração de dois relatórios relacionados com ensaios de tomografia sísmica entre furos. Esta participação envolveu o processa-mento de dados e a apresentação dos respetivos resultados.

O trabalho desenvolvido permitiu:

desenvolver sensibilidade sobre o comportamento dos diferentes algoritmos de inter-polação estudados, em função da tipologia dos dados introduzidos e dos parâmetros de cálculo utilizados;

criar ferramentas para o processamento de dados e a apresentação de resultados, a utilizar nos ensaios para deteção de fugas em aterros de resíduos.

Dadosem bruto

Resultados

Dados ainterpolar

Programarecompilado

Processamentode dados

Programadesenvolvido

Conversãode formato

Chamada deprocedimentos

de cálculo

Chamada deprocedimentos

gráficos

Surfer

Processamentode dados

Composiçãode imagens

Resultadosinterpolados

Apresentaçãode resultados

Figura 1 – Diagrama de fluxo do programa desenvolvido.

4 – Colaboração no planeamento estrutural e concetual do protótipo

Houve colaboração na concetualização da estrutura do protótipo, construída pela equipa do LNEC. O conceito estabelecido baseou-se numa estrutura de quatro rodas, elevada acima dos respe-tivos eixos de rotação, à qual se encontra acoplada uma malha de elétrodos com movimento ascen-dente e descendente. Este foi o protótipo utilizado na maioria dos ensaios realizados no LNEC, cuja fotografia se apresenta na figura 2.

Numa segunda fase, procedeu-se a um dimensionamento mais cuidado de uma segunda ver-são, segundo o mesmo conceito, incluindo a seleção dos materiais utilizados e a respetiva orçamen-tação, bem como a produção de um manual técnico de montagem. A sua execução foi, novamente, fruto do empenho da equipa técnica do LNEC. Nos próximos parágrafos faz-se uma breve descrição do equipamento concebido, cuja ilustração se encontra na figura 3.

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Pela facilidade de acoplamento e resistência, optou-se por utilizar perfis técnicos em alumínio para a estrutura do protótipo na sua versão final (GeoSafe). O modelo de perfil foi escolhido mediante modelação estrutural simplificada, incluindo as caraterísticas da secção a avaliar, a conceção pré-estabelecida, a carga vertical estimada e a força horizontal necessária para ultrapassar um obstáculo com um terço do diâmetro da roda utilizada.

Sendo a estrutura modular, utilizaram-se tubos redondos em aço para ligação entre módulos, fixados por intermédio de abraçadeiras industriais em alumínio. Novamente, a secção de tubo foi es-colhida pelo mesmo método aplicado à seleção do perfil técnico.

O anterior protótipo demonstrou haver necessidade de componentes rolantes com maior dimensão. Por esta razão, bem como pelo controlo da direcção ser imperativo para operar quatro módulos, optou-se por utilizar forquilhas e rodas de bicicleta adaptadas à estrutura. Considerando a dimensão do seixo comummente utilizado em aterro, foram escolhidas rodas para bicicleta do tipo BMX, normalmente mais largas e espessas, com diâmetro de 20” (508 mm). O acoplamento à estru-tura fez-se por intermédio de abraçadeiras industriais em alumínio, envolvendo a montagem integral das forquilhas com tubagem em aço adaptada.

O sistema de elevação da malha de elétrodos manteve-se manual, embora reorganizado e com materiais de melhor qualidade. Este sistema baseia-se em roldanas de aço que encaminham uma série de cabos de aço até roldanas de maior diâmetro operadas por uma manivela. O sistema foi redesenhado para proporcionar melhor ergonomia, maior estabilidade e redução do esforço necessá-rio à elevação da malha. Para evitar o deslocamento lateral da malha em planos inclinados, manteve-se o princípio de guias verticais utilizado na versão anterior, mas melhorado.

Foram também introduzidos elementos (abraçadeiras industriais em alumínio) que oferecem maior estabilidade à fixação das antenas de geoposicionamento.

O trabalho desenvolvido permitiu:

obter um equipamento capaz de acomodar e transportar o hardware e a malha de eléctrodos, possibilitando a realização de ensaios experimentais no campus do LNEC e ensaios preliminares em aterro;

melhorar o equipamento inicialmente criado, construindo uma segunda versão com desempenho substancialmente mais satisfatório.

Figura 2 – Primeira versão do protótipo de grandes dimensões.

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Módulo 1(malha subida)

Guias verticais

Enrolamentode cabos

Suporte para amalha de elétrodos

Módulo 1(malha descida)

Módulo 1

Módulo 2

Módulo 1

Módulo 2

Módulo 3

Módulo 4

Figura 3 – Segunda versão do protótipo de grandes dimensões (GeoSafe).

5 – Acompanhamento da construção das células de aterro experimentais no campus do LNEC

A construção das células experimentais foi acompanhada na íntegra, conforme o plano de trabalhos definido pela Empresa Geral do Fomento (EGF). O plano previu a implantação de três célu-las, com aproximadamente 100 m2 (10x10 m) de área cada, incluindo sistema de drenagem e de impermeabilização, conforme descrito na tabela 1.

A implantação das células envolveu:

escavação inicial;

construção dos muretes periféricos com o material escavado;

execução da vala de amarração adjacente à face exterior dos muretes, como também das caixas de escoamento exteriores à escavação;

regularização e impermeabilização da base com solo silto-argiloso adquirido, incluin-do a sua compactação e recolha de amostras para controlo do teor de humidade e densidade aparente;

cobertura conforme a tabela 1, incluindo a instalação dos elementos de drenagem (no caso da célula 3, consultar a tabela 1);

execução de ensaios (elétricos, de tração e de pressão) sobre as soldaduras e corre-ção das falhas encontradas;

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formação de uma camada drenante de calibre médio, composta por areia (no caso da célula 3, consultar a tabela 1);

formação de uma segunda camada drenante mais grosseira, composta por seixo.

Após a instalação das geomembranas, previamente à sua cobertura, procedeu-se à sua per-furação calibrada, em locais devidamente referenciados, a fim de avaliar a eficácia do equipamento na deteção de fugas.

A obra decorreu sem percalços constrangedores, tendo-se resolvido todas as dificuldades encontradas atempada e eficazmente. A figura 4 indica a localização das células e a figura 5 mostra algumas etapas da sua construção.

O trabalho desenvolvido permitiu:

dotar a equipa de um espaço controlado, à priori, para a realização de ensaios de campo, à escala, sobre três tipos diferentes de impermeabilização;

garantir que a execução das células experimentais decorreu conforme o plano de tra-balhos previsto.

Tabela 1 – Sistema de impermeabilização aplicado a cada célula.

Célula Sistema de impermeabilização e drenagem (sentido descendente)

1 (para resíduos não perigosos)

1 – Camada drenante de seixo (0,30 m) 2 – Camada drenante de areia (0,20 m) 3 – Geotêxtil não tecido 4 – Geomembrana em PEAD 5 – Geocompósito bentonítico 6 – Solo silto-argiloso (0,50 m)

2 (para resíduos não perigosos)

1 – Camada drenante de seixo (0,30 m) 2 – Camada drenante de areia (0,20 m) 3 – Geotêxtil não tecido 4 – Geomembrana em PEAD 5 – Solo silto-argiloso (0,50 m)

3 (para resíduos perigosos)

1 – Camada drenante de seixo (0,30 m) 2 – Camada drenante de areia (0,20 m) 3 – Geotêxtil não tecido 4 – Geomembrana em PEAD 5 – Geotêxtil não tecido 6 – Camada drenante de areia (0,20 m) 7 – Geotêxtil não tecido 8 – Geomembrana em PEAD 9 – Geocompósito bentonítico 10 – Solo silto-argiloso (0,50 m)

2ª circular

Av. do Brasil

Célula 1

Célula 2

Célula 3

Figura 4 – Localização das células de aterro experimentais (adaptado da memória técnica da EGF).

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Figura 5 – Algumas fases de obra para a construção das células de aterro experimentais.

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6 – Execução de ensaios nas instalações do ISEL, no campus do LNEC e em aterro

Os ensaios realizados no ISEL permitiram aferir a funcionalidade da malha de eléctrodos e do hardware/software lá desenvolvido, como também afinar o processamento dos dados e a apresenta-ção de resultados. A instalação piloto, com uma área aproximada de 3,24 m2 (1,8x1,8 m), tinha o seu sistema de impermeabilização intencionalmente perfurado em locais identificados, sobre os quais se posicionou a malha e se executaram as leituras com várias intensidades de corrente induzida. Embo-ra se tivessem verificado alguns efeitos de fronteira, devido à limitação do espaço, os rasgos foram satisfatoriamente detetados pelo sistema. A figura 6 exemplifica a deteção de um rasgo.

A grande maioria dos ensaios foi feita no campus do LNEC, onde foi possível:

definir os procedimentos de campo a adotar em aterro;

avaliar a exatidão e a repetibilidade do sistema;

testar a influência da orientação e do afastamento do elétrodo de injeção relativamen-te ao equipamento de medição;

verificar de que forma e em que medida o potencial induzido afeta as leituras;

compreender a influência que a posição relativa entre os eléctrodos e uma fuga tem nos resultados produzidos.

Os ensaios contaram com o apoio da equipa técnica do LNEC e dividiram-se essencialmente em duas partes: estáticos e dinâmicos. Os primeiros consistiram em posicionar o protótipo sobre um orifício, anotando a sua localização relativamente aos elétrodos, e recolher leituras sequenciais sem o mover. Repetindo o processo para diferentes posicionamentos, variando o local do elétrodo de injec-ção e o potencial induzido em cada sequência de leituras, conseguiu-se aferir as conclusões acima descritas. Os ensaios dinâmicos consistiram num varrimento completo da célula, tal como executado em aterro. Também aqui se introduziram as mesmas variações no elétrodo de injecção para corrobo-rar as observações anteriores.

Apesar das dificuldades que foram surgindo, os resultados mostraram-se satisfatórios em termos de exatidão, repetibilidade e eficácia, nos três tipos de impermeabilização. As figuras 7 a 9 ilustram algumas destas situações.

Houve, ainda, necessidade de criar dois “furos artificiais” para a calibração do potencial indu-zido no eléctrodo de injeção. Esta tarefa foi executada pela equipa técnica do LNEC e consistiu no enchimento de uma caixa plástica com silicone, de dimensões aproximadas 100x100x10 mm. Dentro das caixas foi, previamente ao enchimento, colocado um fio de cobre com diâmetro de 2 ou 4 mm, conforme uma ou outra versão.

Devido ao atraso sofrido na conclusão da segunda versão do protótipo (GeoSafe), por conse-quência das restrições orçamentais terem atrasado a aquisição dos componentes necessários, os ensaios em aterro encontram-se ainda em curso. Foram realizados ensaios preliminares com a ver-são inicial do protótipo, mas este revelou-se frágil e insuficiente para as condições de operacionalida-de exigidas. Os resultados foram promissores, embora subsistam questões que têm de ser respondi-das por ensaios complementares executados com o novo equipamento.

O trabalho desenvolvido permitiu:

testar o novo sistema numa instalação piloto com ambiente controlado;

afinar os procedimentos para processamento de dados e apresentação de resultados;

aferir a funcionalidade e avaliar as características metrológicas e mecânicas do novo sistema, sobre três tipos distintos de impermeabilização, em células de aterro execu-tadas à escala e conforme as exigências legais em vigor;

compreender o comportamento esperado do sistema, em função das variáveis encon-tradas ou introduzidas no campo, e, partindo desse conhecimento, definir os procedi-mentos de ensaio a adotar em aterro;

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executar ensaios preliminares (a complementar com outros mais abrangentes) em aterro e, apesar das limitações, confirmar a exequibilidade dos procedimentos.

Figura 6 – Deteção de rasgo nas instalações do ISEL e algumas das dificuldades encontradas.

Figura 7 – Deteção de furo em sistema de impermeabilização com geocompósito bentonítico.

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Figura 8 – Deteção de furo em sistema de impermeabilização sem geocompósito bentonítico.

Figura 9 – Exemplo do tipo de análise resultante dos ensaios estáticos.

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7 – Processamento de dados provenientes dos ensaios de campo

Numa primeira fase houve necessidade de processar os dados manualmente, o que envolveu a extração das leituras pretendidas, a montagem dos ficheiros a introduzir no programa Surfer®, a cri-ação das malhas interpoladas e a montagem dos mapas finais no mesmo programa.

Após o início dos ensaios de campo o processo foi-se tornando mais automatizado, pela adaptação das ferramentas descritas no capítulo 3 e pelo desenvolvimento progressivo do programa concebido pela equipa do ISEL. Durante este percurso criaram-se algoritmos em Visual Basic for Applications (VBA) para automatizar procedimentos realizados em Microsoft Excel, tais como:

importação de dados dos ficheiros de campo;

organização da informação em tabela;

conversão entre os sistemas coordenados geodésico e planar;

extração dos grupos de leituras pretendidos;

exportação para o formato de ficheiro a introduzir no Surfer®.

À medida que os trabalhos foram progredindo, o programa utilizado para a aquisição de da-dos (criado pela equipa do ISEL) foi incorporando as tarefas acima descritas e aqueles algoritmos fo-ram gradualmente abandonados.

Relativamente ao algoritmo utilizado para a criação dos mapas de isolinhas, pretende-se que reproduza a natureza linear do fenómeno a representar com a contribuição do máximo de dados ime-diatamente adjacentes ao ponto a estimar, mas sem a influência de valores mais distantes. Portanto, procuraram-se algoritmos de interpolação linear com transição suave e área de influência contributiva restrita. A figura 10 mostra alguns destes resultados.

Ao longo do tempo foram estudados outros factores da maior importância como, por exemplo, o calibre da malha produzida e a escala de visualização utilizada para os resultados finais (parâme-tros que variam com a qualidade dos dados, sendo consequência das condições de campo).

O trabalho desenvolvido permitiu:

contribuir para a agilização dos procedimentos necessários ao processamento de da-dos e à apresentação de resultados;

definir os procedimentos a adotar para a produção de mapas e balizar a recolha de dados necessária para o efeito;

produzir e aprimorar cartas de campo facilmente legíveis, que indicam e referenciam os locais de fuga encontrados;

enriquecer a capacidade de interpretação de resultados com menor clareza.

Figura 10 – Comparação de resultados entre alguns algoritmos de interpolação.

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8 – Agradecimentos

O período de vigência da bolsa foi muito enriquecedor e produtivo para o projeto e para o bol-seiro. Tal não teria sido possível sem:

o trabalho empenhado de todos os outros elementos da equipa;

a confiança depositada no bolseiro, em especial por parte dos seus orientadores Dou-tor Rogério Mota e Eng.ª Madalena Barroso;

o contributo empenhado da equipa técnica do LNEC, em especial dos Srs. Carlos Martins e Válter Nascimento;

o apoio prestado pelo Eng.º Carlos Pereira na análise estrutural do equipamento;

os esclarecimentos prestados sobre os materiais e componentes disponíveis, por par-te das empresas fornecedoras do material selecionado.

9 – Publicações participadas

Mota, R.; Matutino, P. M.; Barroso, M.; Lopes, M. G.; Dores, R., Silva, F., Coimbra, L., 2012. Equipa-mento semiautomático para deteção de orifícios em sistemas de impermeabilização de aterros de re-síduos, 13º Congresso Nacional de Geotecnia, Lisboa.

Barroso, M.; Lopes, M. G.; Dores, R. & Coimbra, L. (2012). “Integrity of HDPE Geomembranes: Effect of Weather Exposure on the Mechanical Properties of Seams”. Proc. of GeoAmericas 2012 - Second Pan American Geosynthetics Conference & Exhibition, Lima, Perú, May 2012, 9 p.

Barroso, M.; Mota, R.; Coimbra, L.; Lopes, M.G.; Matutino, P.; Dores, R. & Silva, F. (2013). “Semi-automatic Mobile System for Detecting Defects in Landfill Liners: Tests in a Pilot Plant at LNEC”. Proc. of International Conference on Geotechnical Engineering. 2013, 21-23 February 2013, Hammamet, Tunisia (CD-ROM).

Mota, R.; Coimbra, L.; Barroso, M.; Matutino, P.; Lopes, M.G.; Dores, R. & Silva, F. (2013). “Semi au-tomatic mobile equipment test for detecting holes in geomembranes – the prototypes evolution”. Proc. of NearSurface Geoscience 2013, 19th European Meeting of Environmental and Engineering Geo-physics, Bochum, Germany (CD-ROM).

Barroso, M.; Lopes, M.G.; Mota, R.; Matutino, P. ; Dores, R.; Silva, F.; Coimbra, L. (2014). “Sistemas de impermeabilização de aterros de resíduos: equipamento semiautomático para deteção de orifícios em geomembranas (GeoSafe)”. 14º Congresso Nacional de Geotecnia, 6-9 abril de 2014, Covilhã, Portugal. (resumo aceite).

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