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Notas de aulas de Estradas (parte 14)

Hélio Marcos Fernandes Viana

Tema:

Introdução à drenagem de pavimentos

Conteúdo da parte 13

1 Introdução

2 Introdução à drenagem superficial de pavimentos

3 Considerações finais quanto ao projeto de drenagem superficial

4 Fotos de algumas estruturas de drenagem superficial

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1 Introdução 1.1 Conceito de drenagem Drenagem é a operação (ou a intervenção), ou são as obras, para retirada da água não desejada de um local ou região. 1.2 Algumas grandes obras de drenagem no mundo Como exemplo de grades obras de drenagem, no planeta, pode-se destacar: A drenagem de Zuider Zee, na Holanda, que foi feita através da construção de um dique (ou represa) de 5,50 m de altura e 29 km de comprimento para conter a água do mar. Esta drenagem na Holanda resultou no aproveitamento de 2.000 km2 de área cultivável. Na Flórida, Estados Unidos, obras de drenagem permitiu a recuperação de quase 10.000 km2 de uma área que pertencia a pântanos (ou regiões alagadas). A Figura 1.1 mostra uma foto do Zuider Zee na Holanda, o qual possui pistas pavimentadas em sua crista.

Figura 1.1 - Zuider Zee na Holanda, o qual possui pistas pavimentadas em sua

crista

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1.3 Jargões (ou frases populares) relacionados à drenagem de pavimentos A água é um problema tão sério para os pavimentos, que são relacionados à água alguns jargões (ou frases populares) bem pessimistas, os quais são: Contra água não há argumentos; ou Os três problemas principais das estradas são: drenagem, drenagem e drenagem. 1.4 Objetivos a serem alcançados com a drenagem do pavimento A drenagem de um pavimento rodoviário tem os seguintes objetivos: Coletar as águas superficiais e subsuperficiais que atuam no pavimento rodoviário; Remover as águas superficiais e subsuperficiais que atuam no pavimento rodoviário; e Proteger o pavimento dos efeitos nocivos (ou danosos) da água. 1.5 Efeitos nocivos (ou danosos) da água no pavimento rodoviário Como exemplo dos efeitos nocivos da água no pavimento pode-se citar: a) Aguaplanagem dos veículos na pista: Aquaplanagem é um fenômeno que ocorre quando os pneus do veículo perdem o contato com o pavimento e derrapam devido a presença de uma fina camada de água sobre a pista, a qual não é rompida nem pelo pneu nem pelas partículas da pista. b) Bombeamento: Bombeamento é a expulsão da água, sob pressão, e de material fino da base do pavimento, que ocorre através das fissuras do pavimento, nos períodos de chuva e devido ao tráfego de veículos sobre o pavimento. c) Trincas ou fissuras: As trincas ou as fissuras no pavimento podem ser causadas pela penetração da água nas camadas do pavimento e no subleito, que causa o aumento da deformabilidade destas camadas e geram trincas na camada de rolamento. OBS. Já foi demonstrado no laboratório que o aumento da umidade no solo diminui o módulo de resiliência do solo, ou seja, faz com que o solo tenha maior deformação para um mesmo nível de tensão. d) Panelas ou buracos: A evolução do processo de bombeamento no pavimento faz com que a capa de rolamento se desagregue (ou solte), e com atuação do tráfego surgem as panelas ou buracos na pista.

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A Figura 1.2 mostra o fenômeno do bobeamento em pavimento trincado na Av. Brasil em Vitória da Conquista - BA em estação de chuvas (ou no mês de novembro). A Figura 1.3 mostra um buraco em pavimento trincado na Av. Olívia Flores em Vitória da Conquista - BA em estação de chuvas (ou no mês de dezembro). OBS. As características do buraco da Av. Olívia Flores, medidas com uma trena, indicam que o buraco é muito grade (uma cratera): comprimento aproximado = 1,70 m, largura aproximada = 1,18 m, profundidade aproximada = 13,5 cm; espessura da capa asfáltica aproximada = 3,00 cm.

Figura 1.2 - Fenômeno do bobeamento em pavimento trincado na Av. Brasil em

Vitória da Conquista - BA em estação de chuvas

Figura 1.3 - Buraco em pavimento trincado na Av. Olívia Flores em Vitória da

Conquista - BA em estação de chuvas

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2 Introdução à drenagem superficial de pavimentos 2.1 Equação da descarga de água de chuva para o projeto de drenagem de pavimento O cálculo da vazão de descarga de água de chuva para o dimensionamento de sarjetas de corte, sarjetas de meio-fio (ou banquetas) de aterro é feito com base na seguinte equação: (2.1) em que: Q = vazão de descarga de água de chuva (m3/s); C = coeficiente de escoamento (ou de Run-off), definido com base no tipo de cobertura da área que recebe a chuva (apresentados na Tabela 2.1); Im = intensidade de precipitação ou de chuva (mm/h), para um tempo de concentração de Tc = 5 minutos; e A = área de contribuição, ou área que recebe a chuva, (km2). OBS. Tempo de concentração representa o período de tempo que uma partícula de água leva para desloca-se do ponto mais distante da área, que recebeu a chuva, até ponto onde ocorre a vazão máxima na saída da área, que recebeu a chuva. A intensidade da precipitação ou da chuva pode ser calculada pela fórmula de Talbolt, que corresponde a seguinte equação: (2.2) em que: Im = intensidade da precipitação ou da chuva (mm/h); e Tc = tempo de concentração (minutos). OBS. Para projetos de drenagem em pavimentos é recomendado pelo DNER (1996) utilizar um tempo de concentração de Tc = 5 minutos.

A Tabela 2.1 mostra valores usuais do coeficiente de escoamento (ou de Run-off) para vários tipos de cobertura da área que recebe a chuva. OBS(s). a) Macadame são pedras tipo britadas (ou trituradas), que possuem aproximadamente o mesmo diâmetro; b) Cascalho é um solo com grade quantidade de pedregulho, e, às vezes, contendo areia grossa; e c) Revestimento primário é uma camada de solo de boa qualidade e estabilizado, a qual é sobreposta sobre o subleito da rodovia. O revestimento primário permite melhores condições de rolamento do que o solo do subleito.

6,3

A..ImCQ

)30Tc(

140.9Im

6

Tabela 2.1 - Valores usuais do coeficiente de escoamento (ou de Run-off) para vários tipos de cobertura da área que recebe a chuva

A Figura 2.1 ilustra um meio-fio (ou banqueta) em um aterro, que é utilizado como um elemento do sistema de drenagem do pavimento. Destaca-se que, neste caso, o meio-fio no acostamento funciona como sarjeta. OBS(s). a) Sarjeta é um elemento de drenagem de rodovias, que serve para coletar e encaminhar as águas de chuva da plataforma da rodovia e/ou cortes na rodovia para fora da plataforma; b) Meio-fio ou banqueta são dispositivos construídos junto ao bordo da plataforma dos aterros das estradas, e serve para encaminhar as águas de chuva para as saídas de água da plataforma rodoviária; e c) Plataforma rodoviária corresponde à soma das larguras da pista, dos acostamentos e das sarjetas.

Tipo de cobertura da área drenada (no caso de pavimentos) Coeficiente C

Revestimento de concreto de cimento 0,75 até 0,95

Revestimento de concreto ásfaltico ou betuminoso 0,75 até 0,95

Revestimento de macadame betuminoso 0,65 até 0,80

Revestimento de tratamento superficial 0,65 até 0,80

Revestimento primário sobre o subleito de cascalho 0,40 até 0,60

Revestimento primário sobre o subleito de macadame 0,40 até 0,60

Tipo de cobertura da área drenada (no caso de solo ou cobertura

vegetal)Coeficiente C

Solo arenoso, com vegetação cultivada e não densa 0,15 até 0,30

Solo arenoso, com mata ou vegetação rateira e densa 0,15 até 0,30

Cascalho, desprovido de vegetação ou com pouca vegetação 0,20 até 0,40

Cascalho, com vegetação densa ou mata 0,15 até 0,35

Solo argiloso, desprovido de vegetação ou com pouca vegetação 0,35 até 0,75

Solo argiloso, com vegetação densa ou mata 0,25 até 0,60

Taludes com vegetação, com declividade 1:2 (horizontal:vertical) 0,50 até 0,70

Valetas de gramadas 0,20 até 0,30

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Figura 2.1 - Meio-fio (ou banqueta) em um aterro, que é utilizado como um

elemento do sistema de drenagem do pavimento

A Figura 2.2 ilustra as sarjetas de pé-de-corte em uma seção de corte de uma rodovia. OBS(s). a) As sarjetas de pé-de-corte são sarjetas abertas no interior dos cortes junto ao pé dos taludes de corte, e servem para coletar as águas, que correm pelo talude e pela plataforma da estrada, e conduzir estas águas para fora do corte; b) Dreno subterrâneo, ou dreno profundo, ou dreno subsuperficial de estradas é um dreno que serve para rebaixar o nível do lençol freático e evitar os danos, que a água oriunda do subsolo pode causar ao subleito e as camadas pavimento; e c) Dentre os efeitos nocivos da água no pavimento pode-se citar: a diminuição da resistência do solo, o aumento da deformabilidade do solo e o aumento da expansão do solo.

Figura 2.2 - Sarjetas de pé-de-corte em uma seção de corte de uma rodovia

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2.2 Equação do DNER (atual DNIT) para cálculo da capacidade de vazão de sarjetas de pé-de-corte e de sarjetas de meio-fio (ou banqueta) A vazão de descarga das sarjetas de pé-de-corte, e de sarjetas de meio-fio (ou banqueta) de aterro é obtida pela seguinte equação: (2.3) em que: Q = vazão de descarga da sarjeta (m3/s); A = área molhada da seção transversal da sarjeta (m2); R = raio hidráulico da seção transversal da sarjeta (m); iL = declividade longitudinal da lâmina de água (m/m), que é igual a declividade longitudinal da estrada (m/m); e n = coeficiente de rugosidade do material da sarjeta (ou coeficiente de Manning); Este coeficiente é obtido com base na Tabela 2.2. OBS. Os conceitos de área molhada da seção transversal (A) e de raio hidráulico da seção transversal (R) serão apresentados em tópico futuro.

Além disso, sendo a velocidade de escoamento na sarjeta dada pela seguinte equação: (2.4) em que: V = velocidade de escoamento da água na sarjeta (m/s); R = raio hidráulico da seção transversal da sarjeta (m); iL = declividade longitudinal da lâmina de água (m/m), que é igual a declividade longitudinal da estrada (m/m); e n = coeficiente de rugosidade do material da sarjeta (ou coeficiente de Manning); Este coeficiente é obtido com base na Tabela 2.2.

A Tabela 2.2 mostra alguns coeficientes de rugosidade (ou coeficientes de Manning) para alguns materiais. OBS. Na Tabela 2.2 o acabamento de concreto é regular, quando a superfície do concreto não é lisa ou bem acabada, ou seja, a superfície apresenta certa rugosidade devido aos grãos de areia ou brita.

n

i.R.AQ L

667,0

n

i.RV L

667,0

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Tabela 2.2 - Alguns coeficientes de rugosidade (ou coeficientes de Manning) para alguns materiais

Tabela 2.3 mostra a velocidade limite admissível da água no interior de sarjetas, canais ou valetas; com base no material de revestimento das sarjetas, dos canais, ou das valetas. OBS(s). a) Velocidade da água acima do valor limite admissível pode desgastar o revestimento das sarjetas, dos canais ou das valetas; ou então, causar erosão no solo; b) Como exemplo de solos resistentes à erosão tem-se: os solos lateríticos arenosos (LA’) e os solos lateríticos argilosos (LG’); e c) Como exemplo de solos pouco resistentes à erosão tem-se: As areias lateríticas (LA); As areias não lateríticas (NA); Os solos não lateríticos argilosos (NG’); e Os solos não lateríticos siltosos (NS).

Ótimo Bom Regular Mau

Concreto de cimento 0,017 0,020 0,025 0,030

Asfalto 0,013 0,013 0,016 0,016

Fundo de concreto e paredes de

pedra rejuntada0,020 0,020 0,025 0,025

Pedras grandes e lisas 0,025 0,030 0,033 0,035

Pedras irregulares 0,025 0,030 0,033 0,035

Terra recoberta com vegetação 0,025 0,030 0,033 0,035

Terra emperrada (ou endurecida) 0,028 0,030 0,033 0,035

Natureza do revestimento da sarjeta,

do canal, ou da valetaEstado do revestimento

Coeficientes

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Tabela 2.3 - Velocidade limite admissível da água no interior de sarjetas, canais ou valetas; com base no material de revestimento das sarjetas, dos canais, ou das valetas

2.3 Exemplo de cálculo de área molhada, perímetro molhado e raio hidráulico de seções transversais de sarjetas, canais e valetas a) Área molhada (m2) Área molhada é toda área da seção transversal da estrutura de drenagem perpendicular ao fluxo de água, ou área molhada é toda área da seção transversal da estrutura de drenagem molhada pela água. OBS. Uma estrutura de drenagem pode ser: um canal, uma sarjeta, uma valeta, etc. b) Perímetro molhado (m) Perímetro molhado é o comprimento da linha de contorno transversal da estrutura de drenagem, que é molhada pela água.

Natureza do revestimento da sarjeta, do canal, ou

da valeta

Concreto de cimento

Asfalto

Fundo de concreto e paredes de pedra rejuntada

Pedras grandes e lisas

Pedras irregulares

Alvenaria

Terra recoberta com vegetação

Terra emperrada (ou endurecida)

Areia fina

Areia média

Areia grossa

Solo arenoso

Solo silto-argiloso

Solo argiloso duro

Solo cascalhento

Rocha

Grama1 e declividade de 0 a 5%

Grama1 e declividade de 5 a 10%

Grama1 e declividade acima de 10%

2,40 até 1,80

2,10 até 1,50

1,80 até 1,20

Grama1 - Use o maior valor para solos resistentes à erosão e o valor menor para solos facimente

erodíveis.

2,50

2,50

1,20

0,50

2,44

4,00

2,00

2,50

Velocidade limite para água (m/s)

0,23

0,30

0,46

0,61

0,76

0,91

1,22

3,05

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c) Raio hidráulico (m) Raio hidráulico é a relação entre a área molhada e o perímetro molhado de uma estrutura de drenagem. Assim sendo, tem-se que: (2.5) em que: R = raio hidráulico da estrutura de drenagem (m); A = área molhada da estrutura de drenagem (m2); P = perímetro molhado da estrutura de drenagem (m). OBS. Uma estrutura de drenagem pode ser: um canal, uma sarjeta, uma valeta, etc. A Figura 2.3 ilustra a área molhada, o perímetro molhado e o raio hidráulico de uma estrutura de drenagem de seção transversal retangular.

Figura 2.3 - Área molhada, perímetro molhado e raio hidráulico de uma

estrutura de drenagem de seção transversal retangular A Figura 2.4 ilustra a área molhada, o perímetro molhado e o raio hidráulico de uma estrutura de drenagem de seção transversal semi-circular.

P

AR

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Figura 2.4 - Área molhada, perímetro molhado e raio hidráulico de uma

estrutura de drenagem de seção transversal semi-circular A Figura 2.5 ilustra a área molhada, o perímetro molhado e o raio hidráulico de uma estrutura de drenagem de seção transversal triangular.

Figura 2.5 - Área molhada, perímetro molhado e raio hidráulico de uma

estrutura de drenagem de seção transversal triangular A Figura 2.6 ilustra a área molhada, o perímetro molhado e o raio hidráulico de uma estrutura de drenagem de seção transversal trapezoidal.

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Figura 2.6 - Área molhada, perímetro molhado e raio hidráulico de uma

estrutura de drenagem de seção transversal trapezoidal OBS. Para obter fórmulas para o cálculo da área molhada, do perímetro molhado e do raio hidráulico para outras seções transversais de estruturas de drenagem consulte DENÍCULI (1986), ou outros livros de Hidráulica ou Mecânicas dos Fluídos. 2.4 Fórmula simplificada para cálculo da vazão e da velocidade da água em sarjetas de seção triangular A vazão de descarga para sarjetas de meio-fio (ou banquetas) pode ser calculada com base na Figura 2.7 e na eq.(2.6). A Figura 2.7 mostra o esquema de uma sarjeta, o qual é útil para o cálculo da vazão de descarga e da velocidade da água pela fórmula simplificada.

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Figura 2.7 - Esquema de uma sarjeta, o qual é útil para o cálculo da vazão de

descarga e da velocidade da água pela fórmula simplificada

Com base na fórmula simplificada a vazão na sarjeta triangular da Figura 2.7, anterior, é obtida pela seguinte equação:

(2.6) em que: Q = vazão de descarga na sarjeta (m3/s); n = coeficiente de rugosidade ou de Manning do material, que reveste a sarjeta (ver Tabela 2.2);

z = tan ; h = profundidade máxima da lâmina de água na sarjeta (m); iL = declividade longitudinal da sarjeta, ou declividade longitudinal da estrada (m/m); T = largura da lâmina de água na superfície da sarjeta (m); e F = fator de redução da vazão (ver Tabela 2.4).

OBS. O símbolo é a letra grega teta.

Com base na fórmula simplificada a velocidade da água na sarjeta triangular da Figura 2.7, anterior, é obtida pela seguinte equação: (2.7) em que: V = velocidade de escoamento da água na sarjeta (m/s); n = coeficiente de rugosidade ou de Manning do material, que reveste a sarjeta (ver Tabela 2.2); h = profundidade máxima da lâmina de água na sarjeta (m); e iL = declividade longitudinal da sarjeta, ou declividade longitudinal da estrada (m/m).

F.i.h.n

z.375,0Q L

667,2

n

i.h.75,0V L

667,0

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A Tabela 2.4 indica os valores dos fatores de redução da vazão com base na declividade longitudinal da sarjeta, ou na declividade longitudinal da estrada. Tabela 2.4 - Valores dos fatores de redução da vazão com base na declividade

longitudinal da sarjeta, ou na declividade longitudinal da estrada

2.5 Fórmula do DNER (atual DNIT) para cálculo da vazão e da velocidade da água em sarjetas de seção triangular A vazão de descarga para sarjetas de meio-fio (ou banquetas) pode ser calculada com base na Figura 2.8 e na eq.(2.8). A Figura 2.8 mostra o esquema de uma sarjeta, o qual é útil para o cálculo da vazão de descarga e da velocidade da água pela fórmula do DNER (atual DNIT).

(%) (m/m)

0,40 0,0040 0,50

0,50 0,0050 0,70

0,60 0,0060 0,80

1,00 0,0100 0,80

1,50 0,0150 0,80

2,00 0,0200 0,80

2,50 0,0250 0,70

3,00 0,0300 0,60

3,50 0,0350 0,50

4,00 0,0400 0,44

4,50 0,0450 0,38

5,00 0,0500 0,33

5,50 0,0550 0,30

6,00 0,0600 0,26

7,00 0,0700 0,21

8,00 0,0800 0,17

9,00 0,0900 0,13

10,00 0,1000 0,11

Declividade longitudinal da sarjeta (iL) Fator de redução da

vazão (F)

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Figura 2.8 - Esquema de uma sarjeta, o qual é útil para o cálculo da vazão de

descarga e da velocidade da água pela fórmula do DNER (atual DNIT)

Com base na fórmula do DNER (atual DNIT) a vazão na sarjeta triangular da Figura 2.8, anterior, é obtida pela seguinte equação: (2.8) em que: Q = vazão de descarga na sarjeta (m3/s); A = área molhada da estrutura da sarjeta (m2); R = raio hidráulico da estrutura da sarjeta (m); n = coeficiente de rugosidade ou de Manning do material, que reveste a sarjeta (ver Tabela 2.2); e iL = declividade longitudinal da sarjeta, ou declividade longitudinal da estrada (m/m).

Com base na fórmula do DNER (atual DNIT) a velocidade da água na sarjeta triangular da Figura 2.8, anterior, é obtida pela seguinte equação: (2.9) em que: V = velocidade de escoamento da água na sarjeta (m/s); n = coeficiente de rugosidade ou de Manning do material, que reveste a sarjeta (ver Tabela 2.2); R = raio hidráulico da estrutura da sarjeta (m); e iL = declividade longitudinal da sarjeta, ou declividade longitudinal da estrada (m/m).

n

i.R.AQ L

667,0

n

i.RV L

667,0

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OBS(s). a) Em caso de taludes de aterros de solos argilosos com até 8 (oito) metros de altura e com cobertura vegetal (ou leiva), não é necessário um sistema de drenagem com meio-fio, sarjetas e rápidos; b) Aterros de solos arenosos com cobertura vegetal (ou leiva), e mesmo com alturas inferiores a 8 (oito) metros, já necessitam de um sistema de drenagem com meio-fio, sarjetas e rápidos; e c) O tema rápidos será abordado no tópico seguinte. 2.6 Rápidos 2.6.1 Introdução ao estudo dos rápidos Rápidos são canais fortemente inclinados utilizados nos taludes de corte ou aterro para escoar as águas oriundas de sarjetas e/ou valetas. Os rápidos evitam a erosão dos taludes de aterro ou corte da rodovia, a qual é causada pela água de chuva. A Figura 2.9 mostra o esquema de uma planta baixa de uma plataforma de uma rodovia sobre um aterro, onde se percebe a presença de 4 (quatro) rápidos para escoar as águas oriundas das sarjetas e proteger os taludes do aterro da estrada.

Figura 2.9 - Esquema de uma planta baixa de uma plataforma de uma rodovia

sobre um aterro, com 4 (quatro) rápidos para escoar as águas oriundas das sarjetas e proteger os taludes do aterro da estrada

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Os rápidos podem ser revestidos dos seguintes materiais: - Concreto de cimento portland; - Asfalto ou material betuminoso; - Lajotas; - Pedras rejuntadas com argamassa; e - Etc. Os rápidos podem ser feitos com ou sem degraus, a utilização de degraus visa (ou tem como objetivo) diminuir a velocidade da água, que pode causar erosão no solo. Na parte final do rápido é comum utilizar a bacia de amortecimento para diminuir a velocidade da água, e evitar erosão no solo onde a água é despejada. OBS. O tema bacia de amortecimento será abordado em tópico futuro. Quando se dimensiona rápidos é recomendado utilizar uma borda-livre de 30 cm acima do nível da água, que flui pelo canal do rápido. OBS. Borda-livre é a distância vertical do topo da seção transversal do canal até a

superfície da água, que flui pelo canal. Na Figura 2.10, (lambda) representa a borda-livre para um canal.

Figura 2.10 - Representação da borda-livre em um canal Os rápidos devem ser ancorados no terreno nas extremidades inferior e superior; Para rápidos maiores que 15 m há necessidade de ancoragem intermediária. A Figura 2.11 ilustra um rápido instalado sobre um talude de aterro, o qual serve para conduzir a água da sarjeta para a bacia de amortecimento, e daí para o solo.

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Figura 2.11 - Rápido instalado sobre um talude de aterro, o qual serve para

conduzir a água da sarjeta para a bacia de amortecimento, e daí para o solo

2.6.2 Dimensionamento de rápidos de seção transversal retangular i) Largura do rápido com cantos retos, ou comprimento da abertura no meio-fio para interceptar a água da sarjeta Para calcular a largura do rápido de seção transversal retangular, ou o comprimento da abertura no meio-fio (ou banqueta) para interceptar o fluxo total de água da sarjeta, utiliza-se a seguinte equação: (2.10) em que: B = largura do rápido de seção transversal retangular, ou o comprimento da abertura no meio-fio para interceptar o fluxo total de água da sarjeta (m); Q = vazão na sarjeta (m3/s); e Ho = energia específica da água da sarjeta (m). Sendo que: (2.11) em que: Ho = energia específica da água da sarjeta (m); h = profundidade máxima da lâmina do fluxo de água na sarjeta (m); V = velocidade da água na sarjeta (m/s); e g = aceleração da gravidade = 9,81 m/s2

5,1)Ho(

Q.716,0B

g.2

VhHo

2

20

e também, sendo que: (2.12) em que: V = velocidade da água na sarjeta (m/s); h = profundidade máxima da lâmina do fluxo de água na sarjeta (m); iL = declividade longitudinal da sarjeta, geralmente, a mesma da estrada (m/m); e n = coeficiente de rugosidade ou de Manning do material, que reveste a sarjeta (ver Tabela 2.2). ii) Espaçamento máximo entre os rápidos A distância ou o espaçamento entre os rápidos, ou das aberturas no meio-fio para escoamento da água das sarjetas é obtida pela seguinte equação: (2.13) em que: D = distância ou espaçamento entre os rápidos para escoar a água da sarjeta para fora da plataforma (m); Q = vazão na sarjeta (litros/s); C = coeficiente de escoamento ou de run-off, definido com base no tipo de cobertura da área que recebe a chuva (ver Tabela 2.1); Ir = intensidade de chuva ou de precipitação (cm/h); e L = largura da estrada que contribui para sarjeta (m). OBS(s). a) Muitas vezes, a largura da estrada que contribui para o rápido (L) é a metade do comprimento da plataforma da estrada, quando a estrada tem duas sarjetas uma de um lado da plataforma e outra do outro lado da plataforma; b) Plataforma rodoviária corresponde à soma das larguras da pista, dos acostamentos e das sarjetas; c) Geralmente, a intensidade de chuva (Ir) para cálculo do espaçamento entre os rápidos é calculada para um tempo de concentração (Tc) de 5 minutos; e d) Tempo de concentração representa o período de tempo que uma partícula de água leva para desloca-se do ponto mais distante da área, que recebeu a chuva, até ponto onde ocorre a vazão máxima na saída da área, que recebeu a chuva.

n

i.h.75,0V L

667,0

L.Ir.C

Q.360D

21

2.6.3 Capacidade de escoamento de um sistema de drenagem tipo sarjetas-rápidos A capacidade de escoamento de um sistema de drenagem tipo sarjetas-rápidos para um trecho de pavimento rígido ou flexível é obtida pela seguinte equação: (2.14) em que: q = capacidade de escoamento de um sistema de drenagem tipo sarjetas-rápidos para um trecho de pavimento rígido ou flexível (m3/s); Lr = comprimento do pavimento rígido ou flexível que será drenado (m); QE = capacidade de escoamento da sarjeta à esquerda da plataforma da estrada (m3/s); QD = capacidade de escoamento da sarjeta à direita da plataforma da estrada (m3/s); DE = espaçamento entre os rápidos à esquerda da plataforma da estrada (m); e DD = espaçamento entre os rápidos à direita da plataforma da estrada (m). 2.6.4 Dimensionamento do canal do rápido i) Vazão pelo canal do rápido de seção retangular A vazão pelo canal de um rápido de seção transversal retangular é calculada pela seguinte equação de Manning, que corresponde a seguinte fórmula: (2.15) em que: Q = vazão pelo canal do rápido de seção retangular (m3/s); A = área molhada do canal do rápido (m2); R = raio hidráulico do canal do rápido (m); iL = declividade do canal do rápido (m/m); e n = coeficiente de rugosidade ou de Manning do material, que reveste o canal do rápido (ver Tabela 2.2). A Figura 2.12 mostra um croqui (ou esquema) de um canal de um rápido de seção retangular, e as equações para obtenção da área molhada (A) e do raio hidráulico (R) do rápido de seção retangular.

D

D

E

E

D

Q

D

Q.Lrq

n

i.R.AQ L

3/2

22

Figura 2.12 - Croqui (ou esquema) de um canal de um rápido de seção

retangular, e as equações para obtenção da área molhada (A) e do raio hidráulico (R) do rápido de seção retangular

ii) Determinação da altura do nível de água em relação ao fundo do canal rápido, que possui seção retangular Segundo Michelin (1975), para determinar a altura do nível de água em relação ao fundo do canal do rápido pode-se utilizar a equação de Manning, eq.(2.15) anterior, e utilizar n = 0,018. Então, substituindo os valores do raio hidráulico (R) e da área molhada (A = b.h) na equação de Manning da vazão do rápido, tem-se que a altura do nível de água em relação ao fundo do rápido (h), que possui seção retangular será obtida como se segue:

h.2b

h.h.b.b

i

Q.018,0

h.2b

h.b

h.b

1.

i

Q.018,0

h.2b

h.b

i.h.b

Q.018,0

h.2b

h.b

i.h.b

Q.018,0

i.h.2b

h.b

A

Q.n

n

i.R.AQ

12/312/32/3

L

2/32/3

2/3

L

2/33/2

2/3

L

3/2

L

L

3/2

L

3/2

23

Logo: (2.16) Finalmente, com base na eq.(2.16) é fácil de se obter o valor altura do nível de água em relação ao fundo do canal rápido, que possui seção retangular. (2.16) em que: Q = vazão pelo canal do rápido de seção retangular (m3/s); iL = declividade do canal do rápido (m/m); b = abertura do rápido ou largura da base do canal retangular do rápido (m); e h = altura do nível de água em relação ao fundo do canal rápido (m). OBS. Conhecidos os valores de Q, iL e b do rápido, tem-se que com a utilização da calculadora HP48G, ou do programa Excel do Microsoft Office é fácil determinar o valor da altura do nível de água em relação ao fundo do canal rápido (h). iii) Velocidade do fluxo da água no canal de um rápido de seção retangular A velocidade do fluxo de água no canal de um rápido de seção transversal retangular é obtida pela seguinte equação: (2.17) em que: Vc = velocidade da água no canal do rápido (m/s); R = raio hidráulico do canal do rápido (m); iL = inclinação do canal do canal do rápido, que é igual a inclinação do ao talude de corte ou aterro (m/m); e n = coeficiente de rugosidade ou de Manning do material, que reveste o canal do rápido (ver Tabela 2.2). OBS. A Tabela 2.3, mostrada anteriormente, indica a velocidade limite admissível da água no interior de sarjetas, valetas e canais de rápidos ou outros canais; com base no material de revestimento das sarjetas, valetas e canais de rápidos ou outros canais.

h.2b

h.b

i

Q.018,0

h.2b

h.b

i

Q.018,0

25252/3

L

2

23

2

232/3

L

h.2b

h.b

i

Q.018,0 25252/3

L

n

i.RVc L

667,0

24

2.6.5 Valetas 2.6.1 Introdução ao estudo das valetas Valetas são canais construídos no pé-do-corte rodoviário ou no pé-do-aterro rodoviário para condução das águas pluviais (ou de chuva) no sentido longitudinal. Os principais tipos de valetas são as valetas de pé-de-corte e as valetas de pé-de-aterro. i) Valeta de pé-de-corte Valetas de pé-de-corte são canais construídos no pé do talude de corte para remover a água oriunda do talude de corte e da plataforma da rodovia como ilustra a Figura 2.13.

Figura 2.13 - Valeta de pé-de-corte construído no pé do talude de corte para

remover a água oriunda do talude de corte e da plataforma da rodovia

A valeta de pé-de-corte pode ser revestida de: - Concreto de cimento portland; - Material asfáltico; - Pedras rejuntadas com argamassa; - Meio-tubos; ou - Etc. As valetas de pé-de-corte podem ter seção triangular, trapezoidal, retangular ou meio-tubo (ou semi-circular). No caso de serem utilizadas valetas de concreto, deve-se prever uma junta de expansão a cada 40 m de valeta construída, sendo que a junta deve ser preenchida com asfalto, ou outro material apropriado para junta de dilatação.

25

No caso da valeta de pé-de-corte ser revestida de pedras rejuntadas com argamassa; Então, o traço da argamassa de rejuntamento deve ser 1 (um) de cimento para 3 (três) de areia (1:3). ii) Valeta de pé-de-aterro As valetas de pé-de-aterro são canais construídos, próximos ao pé do aterro, para coletar e conduzir as águas a um ponto de descarga. A valeta de pé-de-aterro deve se localizar, no mínimo, a 2 m do pé do aterro; Portanto, a valeta não deve se localizar muito próximo ao pé do aterro. A seção transversal da valeta de pé-de-aterro deve ser dimensionada para trabalhar com 10 cm de borda-livre. OBS. Borda-livre é a distância vertical do topo da seção transversal de um canal até a superfície da água, que flui pelo canal. A Figura 2.10, mostrada anteriormente, ilustra a borda-livre de canal, que pode ser também o canal de uma valeta. 2.6.2 Dimensionamento de valetas Para determinar a vazão de descarga de valetas de seção triangular, retangular, semicircular ou trapezoidal, utiliza-se a seguinte equação: (2.18) em que: Q = vazão de descarga da valeta (m3/s); R = raio hidráulico da seção transversal da valeta (m); A = área molhada da seção transversal da valeta (m2); iL = declividade longitudinal da valeta (m/m); e n = coeficiente de rugosidade ou de Manning do material, que reveste a valeta (ver Tabela 2.2). Sendo: (2.19) em que: R = raio hidráulico da seção transversal da valeta (m); A = área molhada da seção transversal da valeta (m2); e P = perímetro molhado da seção transversal da valeta (m).

n

i.R.AQ L

3/2

P

AR

26

Para determinar a velocidade do fluxo de água nas valetas de seção triangular, retangular, semicircular ou trapezoidal, utiliza-se a seguinte equação: (2.20) em que: V = velocidade do fluxo de água na valeta (m/s); R = raio hidráulico da seção transversal da valeta (m); iL = declividade longitudinal da valeta (m/m); e n = coeficiente de rugosidade ou de Manning do material, que reveste a valeta (ver Tabela 2.2). OBS. A Tabela 2.3, mostrada anteriormente, indica a velocidade limite admissível da água no interior de sarjetas, valetas e canais de rápidos ou outros canais; com base no material de revestimento das sarjetas, valetas e canais de rápidos ou outros canais. 2.7 Bacias de amortecimento 2.7.1 Introdução ao estudo das bacias de amortecimento Bacias de amortecimento são pequenas plataformas, ou seja, são pequenas áreas planas ou áreas horizontais (sem declividade) instaladas em pontos de descarga de água, onde a água possui velocidade elevada. As bacias de amortecimento podem ser lisas ou com dentes e cunhas (ou degraus). Os dentes e as cunhas (ou degraus) nas bacias de amortecimento servem para diminuir a velocidade ou a energia da água, e assim evitar a erosão causada pela água, que é lançada para fora da bacia de amortecimento. A Figura 2.14 ilustra uma parte de um sistema de drenagem composto de sarjeta, meio-fio, rápido e bacia de amortecimento. Observa-se que a seção transversal da bacia de amortecimento é lisa, ou não possui dentes.

n

i.RV L

3/2

27

Figura 2.14 - Parte de um sistema de drenagem composto de sarjeta, meio-fio,

rápido e bacia de amortecimento 2.7.2 Dimensionamento de bacia de amortecimento horizontal, lisa (ou sem dentes) e de concreto O dimensionamento da bacia de amortecimento horizontal, lisa (ou sem dentes) e de concreto é realizado seguindo os seguintes passos: 1.o (Primeiro passo): Calcula-se o número de Froude da bacia de amortecimento pela seguinte equação: (2.21) em que: F1 = número de Froude da bacia de amortecimento horizontal, lisa e de concreto; V1 = velocidade da água na entrada da bacia de amortecimento (m/s); d1 = altura do fluxo da água na entrada da bacia de amortecimento (m); e g = aceleração da gravidade = 9,81 m/s2.

1

11

d.g

VF

28

OBS(s). a) A velocidade da água na entrada da bacia de amortecimento (V1) é a velocidade da água no canal do rápido, ou em uma valeta, ou em um canal; b) A altura do fluxo de água na entrada da bacia de amortecimento (d1) é igual a altura do fluxo de água no canal do rápido, em uma valeta, ou em um canal, o qual é um valor conhecido; e c) As bacias de amortecimento horizontais, lisas e de concreto podem ser utilizadas para os seguintes intervalos do número de Froude (F1):

1,7 F1 2,5

e também para: 4,5 F1 9,0 2.o (segundo) passo: De posse de F1 (número de Froude) é necessário entrar no ábaco da Figura 2.15 e determinar, com base na reta do ábaco, a relação d2/d1. OBS(s). a) d1 é altura do fluxo de água na entrada da bacia de amortecimento, o qual é um valor conhecido; e b) d2 é a altura do fluxo de água na saída da bacia de amortecimento. 3.o (terceiro) passo: De posse de F1 (número de Froude) é necessário entrar no ábaco da Figura 2.16 e determinar, com base na curva do ábaco, a relação L/d2 . OBS(s). a) L é o comprimento da bacia de amortecimento horizontal, lisa e de concreto; e b) d2 é a altura do fluxo de água na saída da bacia de amortecimento. 4.o (terceiro) passo: De posse dos valores de d2/d1 e L/d2 definidos nos, passos anteriores, então calcula-se o valor de L, que é o comprimento da bacia de amortecimento horizontal, lisa e de concreto. 5.o (terceiro) passo: Finalmente, calcula-se a altura da parede lateral (H) da bacia de amortecimento horizontal, lisa e de concreto; Com base na seguinte equação: (2.22) em que: H = altura da parede lateral da bacia de amortecimento horizontal, lisa e de concreto (m); F1 = número de Froude da bacia de amortecimento horizontal, lisa e de concreto; e d2 = altura do fluxo de água na saída da bacia de amortecimento (m). OBS. A bacia de amortecimento dimensionada nos 5 (cinco) passos anteriores tem a mesma largura da estrutura de drenagem, que a bacia de amortecimento está associada, seja: um rápido, uma valeta ou um canal.

3

dd.

120

)F(10,1H 2

2

2

1

29

Figura 2.15 - Ábaco para determinação da relação d2/d1 (com base no número

de Froude da bacia de amortecimento horizontal, lisa e de concreto)

30

Figura 2.16 - Ábaco para determinação de L/d2 (para bacias de amortecimento

horizontais, lisas e de concreto) 2.8 Bueiros Bueiros são estruturas de drenagem construídas para conduzir a água de um lado para outro da estrada. Geralmente, os bueiros são circulares formados por manilhas (ou tubos) de concreto, os quais são instalados perpendiculamente, ou a 90º, em relação ao eixo da estrada. O diâmetro das manilhas (ou tubos) de concreto utilizados nos bueiros costuma variar de 0,40 m a 0,60 m; Além disso, os bueiros são instalados a, pelo menos, 0,60 m abaixo da cota do greide da estrada. OBS. O greide da estrada corresponde ao perfil longitudinal, que a estrada deve obedecer quando ela for concluída; o qual pode está abaixo ou acima do perfil longitudinal do terreno. Geralmente, nas rodovias, quando são implantados bueiros, tem-se que o espaçamento entre os bueiros varia de 100 a 150 m. A declividade longitudinal dos bueiros costume variar de 0,5% a 5%, ou seja, de 0,005 m/m a 0,05 m/m. Detalhes sobre o dimensionamento de bueiros são dados por Michelin (1975), intitulado: Drenagem superficial e subterânea de estradas, ou outras bibliografias.

31

2.9 Valas longitudinais As valas longitudinais são valetas, as quais acompanham a rodovia no sentido longitudinal, ou seja, são paralelas ao eixo da rodovia. OBS. As valas longitudinais também são conhecidas como valetas ou canais. As valas longitudinais são empregadas em terrenos planos ou regiões baixas. As valas longitudinais podem está próximas à plataforma da estrada, e não precisam necessariamente está no pé do corte ou no pé do aterro. As valas longitudinais podem ser dimensionadas como sendo uma valeta, como mostrado no tópico 2.6.2 anterior. 3 Considerações finais quanto ao projeto de drenagem superficial 3.1 Inclinação transversal da pista de rolamento A Tabela 3.1 ilustra algumas inclinações transversais recomendadas para a pista de rolamento, com base no tipo de material da pista de rolamento. Tabela 3.1 - Algumas inclinações transversais recomendadas para a pista de

rolamento, com base no tipo de material da pista de rolamento

3.2 Inclinações transversais recomendadas para acostamento Para acostamento sem revestimento, recomenda-se uma inclinação transversal de 5% (ou 0,05 m/m). Para acostamento revestido com grama a inclinação transversal pode chegar a 8% (ou 0,08 m/m).

Tipos de revestimentoInclinação transversal

da pista

Revestimento betuminoso de 1,5% até 3,0%

Concreto de cimento portland de 1,0% até 2,0%

32

3.3 Declividade das sarjetas A declividade longitudinal da sarjeta é a mesma do greide da estrada (ou do perfil longitudinal da estrada). Na parte em que a sarjeta está em contato com o acostamento, a sarjeta deve possuir uma declividade transversal de 25%. Na parte em que a sarjeta está em contato com o talude de corte, a sarjeta deve possuir a mesma declividade do talude de corte. 3.4 Maiores detalhes para projeto de drenagem superficial, e abordagem do tema drenagem subterrânea Maiores detalhes para projeto de drenagem superficial, e abordagem do tema drenagem subterrânea consulte: a) Michelin (1975), intitulado: Drenagem superficial e subterrânea de estradas; e/ou b) Lima et al. (1985), intitulado: Tópicos em estradas; e/ou c) DNER (1996), intitulado: Manual de pavimentação; e/ou d) Senço (2006), intitulado: Manual de técnicas de pavimentação, Volume 2; e/ou e) DNIT (2006), intitulado: Manual de drenagem de rodovias; e/ou f) Suzuki et al. (2013), intitulado: Drenagem subsuperficial de pavimentos, conceitos e dimensionamento. 4 Fotos de algumas estruturas de drenagem superficial A Figura 4.1 ilustra um rápido localizado próximo ao viaduto do centro industrial de Vitória da Conquista - BA. OBS(s). a) A abertura do canal do rápido da Figura 4.1, medida no campo, era igual a 51 cm; e b) Pode-se observar no rápido da Figura 4.1, que foram cravadas algumas pedras no canal do rápido para diminuir a velocidade da água, o que ajuda a evitar a erosão causada pela energia cinética da velocidade da água em contato com o solo.

33

Figura 4.1 - Rápido localizado próximo ao viaduto do centro industrial de

Vitória da Conquista - BA A Figura 4.2 mostra uma bacia de amortecimento no pé de um rápido localizado próximo ao viaduto do centro industrial de Vitória da Conquista - BA.

Figura 4.2 - Bacia de amortecimento no pé de um rápido localizado próximo ao

viaduto do centro industrial de Vitória da Conquista - BA

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A Figura 4.3 ilustra uma valeta de pé-de-aterro localizada próxima ao viaduto do centro industrial de Vitória da Conquista - BA

Figura 4.3 - Valeta de pé-de-aterro localizada próxima ao viaduto do centro

industrial de Vitória da Conquista - BA A Figura 4.4 mostra uma vala longitudinal localizada no anel viário de Vitória da Conquista - BA, a qual está próxima ao bairro Miro Cairo. Pode-se observar na Figura 4.4 que parte do meio-fio do pavimento à direita da figura está quebrado, o que mostra a importância um gerenciamento (ou fiscalização) na rodovia para evitar erosões causadas por falhas (ou danos) no sistema de drenagem.

Figura 4.4 - Vala longitudinal localizada no anel viário de Vitória da Conquista -

BA, a qual está próxima ao bairro Miro Cairo

35

A Figura 4.5 ilustra um bueiro localizado próximo ao viaduto do centro industrial de Vitória da Conquista - BA. OBS. O diâmetro do bueiro da Figura 4.5, medido no campo, era igual a 90 cm.

Figura 4.5 - Bueiro localizado próximo ao viaduto do centro industrial de

Vitória da Conquista - BA Referências bibliográficas BOHNENBERGER, J. C. Sistema de drenagem urbana - Notas de Aula. Viçosa -

MG: Universidade Federal de Viçosa, 199?. 113p. DEPARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS E RODAGEM. Manual de

pavimentação. 2. ed., Rio de janeiro, 1996. DEPARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS E RODAGEM. Glossário de termos

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DNIT. Manual de drenagem de rodovias. Rio de Janeiro, 2006. DENÍCULI, W. Condutos livres em regime uniforme (canais) - Notas de aula de

Hidráulica. ENG341. Viçosa - MG: Universidade Federal de Viçosa, 1986. 56p. FERNANDES JÚNIOR, J. L.; ODA S.; ZERBINI, L. F. Defeitos e atividades de

manutenção e reabilitação em pavimentos asfálticos. São Carlos - SP: Escola de Engenharia de São Carlos - Universidade de São Paulo, 1999. 101p.

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36

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LIMA, D. C.; RÖHM, S. A.; BUENO. Tópicos em estradas. Apostila 205. Viçosa -

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lateríticos. São Paulo - SP: Vilibor, 1995. 213p. SENÇO W. Manual de técnicas de pavimentação. Volume 2. São Paulo - SP: Pini,

2006. 671p. SUZUKI C. Y.; AZEVEDO A. M.; KABBACH JÚNIOR F. I. Drenagem subsuperficial

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VIANA, H. M. F. Fotos do sistema de drenagem do anel viário de Vitória da

Conquista - BA. Vitória da Conquista - BA. Novembro, 2010. VIANA, H. M. F. Foto do fenômeno do bobeamento em pavimento trincado na

Av. Brasil em Vitória da Conquista - BA em estação de chuvas. Vitória da Conquista - BA. Novembro, 2013.

VIANA, H. M. F. Foto de um buraco em pavimento trincado na Av. Olívia Flores

em Vitória da Conquista - BA em estação de chuvas. Vitória da Conquista - BA. Dezembro, 2013.

http://www.maisturismo.net/afsluitdijk-dique-no-zuider-zee-holanda/