Sensores de força da HBM medem o impacto das ondas nas defesas contra inundações

Devido à elevação do nível do mar, a necessidade de construção de defesas contra inundações está se tornando cada vez mais urgente. Um componente importante no desenvolvimento de novas defesas contra inundações é a medição do impacto das ondas nas estruturas. O brasileiro Ermano de Almeida realizou um projeto no Laboratório de Mecânica dos Fluidos da Faculdade de Engenharia Civil da TU Delft durante o verão de 2018 para medir o impacto das ondas nas defesas contra inundações com balanços. Ele usou sensores de força da HBM para fazer isso. Além disso, o projeto também envolveu outros parceiros, como a Organização Holandesa de Pesquisa Científica (NWO), Rijkswaterstaat, Witteveen + Bos, a PT Structural e Deltares, o instituto holandês de conhecimento e inovação para água e subsolo. Os resultados da pesquisa serão relevantes no desenvolvimento de estruturas hidráulicas novas e atualizadas, como as saídas de água na Afsluitdijk.

Problema: Inundações e rompimentos de dique estão causando problemas e danos consideráveis em todo o mundo. 
Solução: Ao coletar mais informações sobre o poder do impacto das ondas, a pesquisa deve ser capaz de fazer estruturas robustas e seguras sem torná-las grandes (como pode ser o caso hoje). 
Resultados: Os dados brutos dos testes físicos serão processados e analisados. O resultado será uma informação valiosa para a engenharia e construção de novas defesas contra inundações.

Meça a força do impacto que as ondas exercem nas estruturas verticais

Ermano de Almeida está atualmente trabalhando no impacto de ondas em modelos de defesas de água feitas de aço como parte da pesquisa de seu PhD no departamento de Engenharia Hidráulica da Universidade de Tecnologia de Delft. Ele estudou Engenharia Civil em Madri e Aachen e obteve seu mestrado na TU Delft, quando teve a chance de realizar o projeto de pesquisa sobre as defesas contra inundações, agarrou-o com as duas mãos, não só porque achou o projeto interessante tanto na teoria como na prática, mas também porque e controlar a água é um dos desafios mais importantes nas próximas décadas.

A pesquisa atual de de Almeida se concentra em estruturas hidráulicas verticais de aço e concreto. Tais estruturas podem ser encontradas em portos e em eclusas e saídas de água. Elas também têm sido usadas ​​extensivamente nas defesas de inundação holandesas ao longo da costa do Mar do Norte. Elas são usadas ​​em combinação com outras instalações hidráulicas e mecânicas para fechar as saídas de água ou cursos de água na maré alta ou durante um surto de tempestade. Como defesa contra inundações, este tipo de construção é particularmente adequado para locais onde a abertura dos portões para o fluxo de água e o transporte são necessários, além de poder permanecer fechada e fornecer segurança contra inundações durante tempestades.

O objetivo do projeto de pesquisa é medir a força do impacto que as ondas exercem nas estruturas verticais. Estas forças são particularmente massivas em estruturas verticais com uma saliência porque a força da onda não pode ser desviada para cima. Além disso, isso também aumenta a pressão na parte vertical da estrutura. Além disso, as ondas também exercem uma força enorme na saliência. A saliência pode ser, por exemplo, uma borda de proteção de concreto acima da defesa de inundação ou do teto da abertura a partir da qual as divisórias são suspensas. De acordo com De Almeida, investigar o efeito da ressonância e vibração das placas de metal relativamente finas sob tais condições de carga na vida útil da estrutura e do material usado é altamente interessante.

“O número de situações em que tais estruturas hidráulicas falharam não é muito alto”, explica ele, “mas há vários casos conhecidos em que falta conhecimento claro sobre as características da carga e a resposta estrutural levou a condições inseguras e, às vezes, até a falhas estruturais. Ao coletar mais informações sobre o poder do impacto das ondas, podemos criar estruturas robustas e seguras sem torná-las grandes demais, como seria o caso hoje. Como resultado, economizamos tempo, material e custos durante a construção. Talvez possamos até desenvolver novas formas de construir esse tipo de defesa contra inundações, com base na pesquisa.”

Sensores de bacia e força de água

Os testes foram realizados no Laboratório de Mecânica dos Fluidos da TU Delft. O laboratório tem uma área de aproximadamente 5.000 m², dos quais 1.700 m² são utilizados para a realização de experimentos. Há oito canais de água disponíveis para experimentos que podem fornecer um fluxo de água de 2 metros cúbicos por segundo, os experimentos de De Almeida foram realizados em um dos maiores canais de água do laboratório, com 42 m de comprimento, 80 cm de largura e 1 m de profundidade. No final do canal, há um bloco de concreto maciço de 80 x 80 x 100 cm, no qual uma placa de alumínio de 1 cm de espessura é montada usando seções de alumínio. Nove sensores de força HBM U3 são instalados sucessivamente entre a armação de alumínio e a placa de metal, com uma faixa de 1,0 kN. A HBM recomenda que os pesquisadores usem essas células de carga específicas porque elas são feitas de aço inoxidável, não são suscetíveis a efeitos de temperatura e, portanto, são ideais para a configuração do teste úmido. Além disso, possuem alta rigidez intrínseca, compensam os momentos de flexão e são insensíveis às forças laterais, tornando os resultados da medição altamente confiáveis.

Os sensores estão ligados a amplificadores de medição desenvolvidos pela própria TU Delft. Eles registram o impacto das ondas a uma taxa de amostragem de 5000 S/s. Almeida pode visualizar os dados de medição em tempo real em uma tela de monitor que mostra a altura das ondas e o impacto na estrutura. A configuração é flexível, permitindo que ele ajuste a altura da placa de metal, as dimensões da projeção e as posições dos sensores de força.

Uma série de ondas regulares e irregulares é criada no canal de água usando um gerador de ondas, que é equipado com compensação de reflexão ativa que neutraliza as ondas de retorno para não influenciar os dados de medição. Oito sensores, que medem as características das ondas, ficam a cerca de quarenta centímetros de distância na água, alguns metros à frente da placa de metal. Três câmeras registram as imagens dos testes, tornando assim possível estudar as imagens associadas para resultados especiais de medição.

Comportas de descarga Afsluitdijk como referência

Durante o projeto da configuração do teste, as comportas de descarga do Lago Issel em Afsluitdijk foram usadas como referência inicial porque os tipos de ondas e seu impacto examinados na pesquisa se assemelham aos observados nessas estruturas. Existem saídas de água sob parte do dique que são fechadas com portões de aço durante marés altas e tempestades. As ondas que atingem os portões nas saídas sob o feixe horizontal de defesa são repentinamente bloqueadas durante as tempestades e, assim, exercem enormes forças sobre a estrutura. Esta estrutura foi projetada há 80 anos e está sendo reformada, juntamente com toda a Afsluitdijk. De Almeida também pretende aplicar o conhecimento desenvolvido durante sua pesquisa em outros locais do mundo, como nos Estados Unidos, onde há um grande interesse nos resultados da pesquisa, devido aos incidentes de graves inundações no país e a forte reputação da TU Delft no campo da engenharia hidráulica.

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