Oscilações e Campos de Velocidades em Quebramares

Os quebramares destacados, total ou parcialmente submersos, podem constituir um meio eficaz de protecção contra a acção da agitação nas zonas costeiras e portuárias. De facto, os quebramares submersos ou também designados de pequena altura de água acima da crista podem, por exemplo, possibilitar uma solução de estabilização de praias alimentadas artificialmente, devido à atenuação parcial da agitação na zona de sombra do quebramar.

Esta barreira pode assim diminuir os galgamentos na linha de costa e as consequentes inundações de zonas residenciais costeiras.

Quando um quebramar é totalmente impermeável à agitação, o espraiamento da onda determina o grau de galgamento e consequentemente a transmissão da agitação, sendo nula a parcela que ocorre através da estrutura. Um aumento da altura de onda ou uma diminuição da altura de água acima da crista provocam um aumento do espraiamento e, consequentemente, se ocorrer galgamento, uma maior transmissão, o que também acontece com uma menor largura da crista.

 

A caracterização da agitação efectuada nas imediações dos quebramares submersos traduz a abordagem convencional do estudo da dissipação, fomecendo, sob a forma de coeficientes de reflexão, transmissão e dissipação, informações sintéticas e de utilização simples para o dimensionamento corrente de quebramares submersos. Contudo, não fornece informações sobre o comportamento do escoamento, sobre o campo de velocidades, nem traduz, pelo menos directamente, qualquer relação entre as causas de ocorrência dessa dissipação e a quantificação da mesma.

Não obstante as discrepâncias detectadas entre alguns dos resultados obtidos e os propostos por diferentes autores poderem ser, em parte, justificadas por condições e técnicas de ensaio, o verdadeiro progresso neste domínio não será possível sem o conhecimento das características do escoamento (campos de velocidades, zonas de separação, escoamentos secundários, intensidade de turbulência, etc.) e da influência destas na dissipação global.

Existem vários estudos teóricos e experimentais, que verificaram essa mesma eficiência na redução da capacidade energética da agitação, através apenas da análise das características da agitação nas imediações dessas estruturas, o que permite concluir quanto à eficácia na variação das alturas de onda.
Esta verificação, como será evidenciado, pode ser efectuada pela análise das oscilações e do campo de velocidades nas imediações dessa mesma estrutura, atendendo à relação que existe entre estas características e a energia da onda.

Assim, recorrendo aos registos da superfície livre e aos perfis de velocidade é possível concluir quanto aos eventuais benefícios de uma redução energética da agitação, ou qual o comportamento dessas mesmas estruturas em termos energéticos. As medições de velocidades efectuadas permitiram desenvolver uma metodologia de avaliação da energia reflectida e transmitida, devido à influência dos quebramares submersos, através de coeficientes apropriados e cujo cálculo se baseia no conceito de energia total da onda.

As praias são bens extremamente valiosos para a economia de qualquer país, devido à variedade e condições naturais únicas que oferecem, pelo que devem ser protegidas contra os fenómenos de erosão que as podem alterar e fragilizar de forma irreversível. São variadíssimos os casos de danos provocados por tempestades nos sistemas de defesa costeira, ou em zonas costeiras não defendidas. Os efeitos destes fenómenos podem ser dispendiosos, destruidores e perigosos, nomeadamente em zonas urbanas, pelo que a investigação relacionada com os processos costeiros poderá contribuir para a atenuação dos problemas.

Existem vários tipos de defesas costeiras, desde as praias artificiais, até aos esporões, estruturas longitudinais destacadas e estruturas longitudinais aderentes. As praias naturais ou artificiais, quando estáveis, são uma das melhores formas de proteger a linha de costa. As investigações efectuadas nesta área relacionam-se com a forma como essas praias se comportam, de uma forma mais detalhada, envolvendo a análise de secções transversais de modelos em canais e submetendo—as a uma dada agitação marítima.

Outros aspectos relacionam-se com a granulometna das areias, permeabilidade, mobilidade e medição das alterações morfológicas verificadas nesses modelos. Os testes podem ser tridimensionais, com diferentes incidências das ondas e com correntes de deriva litoral, podendo verificar—se também conjuntamente o comportamento de estruturas mais complexas como os esporões.

 

A alimentação artificial de praias com areias será provavelmente a mais popular técnica de defesa costeira. Contudo, a constituição de novas praias ou o reforço de outras pode requerer grandes quantidades de areia e sucessivas recargas periódicas, o que constitui um problema premente, sob o ponto de vista de custos, de disponibilidade de fontes sedimentares e de operacionalidade.
Contudo, as praias não são a única forma de defesa costeira, pelo que a investigação se debruça também sobre outras estruturas de defesa como os quebramares enraizados (esporões) e quebramares destacados e submersos, cuja interacção com a agitação é bastante mais complexa. De facto, não só estão sujeitas a acções significativas por parte da agitação, como as suas fundações sofrem também solicitações significativas, que podem colocar em perigo as fundações dessas mesmas estruturas de defesa e consequentemente as instalações terrestres adjacentes, como os arruamentos marginais, por exemplo, com a ocorrência de galgamentos e inundações dessas mesmas zonas.
Os quebramares constituem, em geral, estruturas em que a função abrigo é essencial, quer em intervenções de protecção costeira (quebramares destacados e recifes artificiais), quer como estruturas de cariz portuário. As interacções entre os quebramares destacados e as praias adjacentes são também de interesse capital, visto que os quebramares destacados não dissipam apenas a energia das ondas, sendo possível manipular a sua forma, número, alinhamento e dimensões para influenciar a morfologia das praias.

Diversas estruturas podem ser utilizadas para a defesa da linha de costa, tais como quebramares destacados, esporões ou estruturas aderentes de taludes, em combinação com operações de alimentação artificial com areias. Nas últimas décadas tem—se procurado encontrar novas soluções que provoquem menores impactes ambientais e paisagísticos.

A função principal de um quebramar é proteger uma área limitada das acções da agitação incidente, atenuando os galgamentos, que por sua vez podem ser diminuídos com o aumento da altura do coroamento acima do nível da água. Ao serem permitidos galgamentos da estrutura, a altura do coroamento e portanto o volume de material necessário podem ser significativamente reduzidos. Um quebramar deste tipo, com o nível do coroamento baixo poderá ser provavelmente constituído por uma única camada de manto resistente, sub-camadas e núcleo. Sob a acção de níveis elevados de agitação as ondas de maior altura galgarão a estrutura, dissipando energia quando passam sobre a superficie rugosa e quando se dá o impacto sobre a massa de água existente a Sotamar do quebramar.

A praia poderá formar­se por efeito de tômbolo e/ou por alimentação artificial. Os quebramares destacados submersos poderão ser uma das soluções possíveis para minorar os problemas de erosão costeira, facilitando a acumulação de areia, se o transporte litoral existir, ou a retenção de areia no caso de se proceder à alimentação artificial da praia. Devido à baixa cota do seu coroamento, não eliminam a circulação em direcção à praia. A sua eficiência depende da relação entre a altura de onda incidente e as correspondentes alturas de onda reflectidas e transmitidas, de forma a ser atingida a protecção desejada. Esta eficiência pode variar acentuadamente com a variação das cotas de água por acçao das marés.

Para a mesma situação, os quebramares destacados são normalmente implantados em profundidades idênticas ou superiores às profundidades das extremidades dos esporões. O seu funcionamento resulta da dissipação da energia das ondas e das correntes de difracção geradas nas extremidades do quebramar, originando a deposição das areias a Sotamar (tômbolo). A partir de determinado “enchimento” poderá restabelecer-se o transporte litoral normal, deixando de se sentir o efeito de retenção associado à formação do tômbolo.

A redução da altura de onda após “ultrapassar” o quebramar, na zona de influência do mesmo, conduz a uma diminuição da capacidade de transporte sólido litoral. Essa redução da capacidade de transporte é a responsável pela deposição de areia a sotamar do quebramar e, conjuntamente com as correntes de difracção geradas, pela eventual formação de um tômbolo.

Como os quebramares destacados, submersos ou não, constituem um obstáculo à normal propagação da agitação marítima incidente, contribuem significativamente para a sua alteração. Estas estruturas de taludes, em geral porosas, projectadas para proteger zonas costeiras expostas, cumprem essa função como resultado da complexa interacção entre a agitação incidente e a estrutura.

A complexidade dessa interacção deve-se essencialmente à variabilidade do comportamento das estruturas, quer em relação à reflexão, quer em relação à fricção com a estrutura permeável. Daí que os fenómenos verificados com maior significado devido à presença dessas estruturas sejam a reflexão da agitação, a transmissão da energia através do meio poroso que é o quebramar e a redução da energia da onda transmitida sobre o quebramar destacado, no caso de ser submerso.

O dimensionamento de quebramares situados em águas profundas e com elevados níveis energéticos de agitação, é particularmente difícil. Enquanto que no caso de quebramares situados em águas pouco profundas as alturas de onda máximas que podem atingir a estrutura estão limitadas por condicionantes fisicas relacionadas com essas profundidades, nos quebramares situados em águas profundas, as alturas de onda máximas têm de ser associadas a períodos de retomo, exigindo séries estatísticas locais relativamente longas.

Face à insuficiência em relação a estes dados e à limitada capacidade de previsão, a segurança da estrutura só poderá ser garantida à custa de uma grande reserva de resistência, o que a toma excessivamente cara e de construção muito difícil.

Compreende­se assim que se tomem atractivas `as soluções que permitam limitar a máxima altura de onda que pode atingir certas estruturas. Essa limitação poderá ser conseguida pela construção de um quebramar submerso de pré-rebentação (isto é, um quebramar cuja cota de coroamento é inferior ao nível da baixa­mar mais baixa previsível no local) a uma certa distância da estrutura principal (quebramar principal ou estrutura marginal).

Este tipo de estrutura, contudo, apenas exerce essa função de pré-rebentação para ondas de altura superior a um dado limite (função da cota de coroamento, do comprimento dá onda, largura do coroamento, etc.), ou seja para aquelas que rebentam ao passar sobre ela. Como se trata de uma estrutura submersa é menos solicitada pela agitação que a atinge, o que permite que na sua construção se empreguem blocos de menor peso. O quebramar principal ou a estrutura marginal pode ser aligeirado, dada a redução das alturas de onda máximas que o podem atingir.

É fundamental verificar neste tipo de estruturas, a influência dos seguintes aspectos: comprimento do quebramar, distância à linha de costa, profundidade da água, afastamento entre quebramares, tipo de estrutura, altura do coroamento relativamente ao nível de preia—mar, deposição de areia e formação de tômbolos.

A cota do coroamento de um quebramar é também um parâmetro condicionante da sua eficiência. É evidente que essa eficiência é tanto maior, quanto menor forem os galgamentos que ele permite. Do ponto de vista estético e de volume de materiais utilizados, essa cota deverá ser relativamente baixa.

Existem cotas de coroamento que não possibilitam um processo construtivo por meios flutuantes e outras que tomam crítica ou impossível a construção com equipamentos não flutuantes. Quando a amplitude de maré é considerável, a solução quebramar pode conduzir a que grande parte da energia remanescente altere o processo de deposição de areias atrás do quebramar, não permitindo o bom funcionamento deste.

Autor: Francisco de Almeida Taveira Pinto
Excerto Adaptado

Fonte: engenhariacivil.com