nova centrífuga geotécnica da uenf é a maior da américa latina

Prédio que abriga a Centrífuga e laboratórios de apoio
O QUE HÁ DE NOVO
NOVA CENTRÍFUGA
GEOTÉCNICA DA UENF É A
MAIOR DA AMÉRICA LATINA
centrifuga geotécnica da universidade estadual do
norte Fluminense darcy ribeiro é capaz de ensaiar
modelos de até uma tonelada em um ambiente cuja
pressão gravitacional pode atingir até cem vezes a
gravidade terrestre.
Construída em 2007, a centrífuga geotécnica da UENF entrou
em operação no ano passado. Duas outras centrífugas
já operam no Brasil, uma de menor capacidade, em
São Paulo, no Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT), e
outra baseada em princípios diferentes, na cidade do Rio
de Janeiro, na COPPE-UFRJ. Esta nova centrífuga, a maior
na América latina, possibilita estudos avançados na área
de geotecnia. No hemisfério sul encontrava-se até a última
década uma centrífuga semelhante somente na Austrália.
Atualmente, existe uma centrifuga de porte médio, instalada
e em funcionamento na Colômbia. No hemisfério
norte e na Europa existem diversas centrífugas de diferentes
tipos e capacidades. No entanto, no Japão, o número
de centrífugas de grande porte é considerável.
Diferentes áreas do conhecimento da geotecnia têm utilizado
a centrifuga como uma poderosa ferramenta para
avaliar os fenômenos físicos impossíveis de serem simulados
em escala real, como a área ambiental, com estudos
de desenvolvimento de plumas de contaminação; a área
de petróleo e gás, com os estudos de fixação (ancoragens)
de plataformas flutuantes e de problemas relacionados a
dutos enterrados; a mecânica dos solos clássica, com problemas
de adensamento, fundações, barragens e solos
não saturados; entre outros.
Estudos em centrífugas têm sido amplamente incentivados,
podendo-se observar sua inclusão nos encontros científicos
internacionais, e a criação de conferências específicas sobre
o assunto. No Brasil, este tipo de investigação científica é
ainda muito incipiente, restringindo-se apenas aos grupos
que possuem tais equipamentos. Neste sentido, a centrífuga
da UENF encontra-se à disposição da comunidade para
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auxiliar no desenvolvimento de projetos avançados
que levem a geotecnia brasileira para a vanguarda da
geotecnia internacional.
PrincíPio de Funcionamento
e relação de escala com o
ProtótiPo
O objetivo da centrifugação é submeter um modelo
físico reduzido a um campo gravitacional diferenciado
de forma a reproduzir no modelo físico o estado de tensão
sob o qual o protótipo está submetido. Durante o
voo, a força centrífuga imposta ao modelo, gerada no
movimento circular, equivale à força gravitacional. Esta
é proporcional a velocidade de rotação e a distância do
modelo ao centro (veja figura 1).
Figura 1 – Componente gravitacional (Fc) durante o voo do
modelo físico
Fotos e imagens: Fernando Saboya

Figura 2 – Comparação da força gravitacional no protótipo e da força inercial no modelo
As pesquisas com modelos físicos
em escala reduzida devem obedecer
relações de escala e leis de similaridade
e similitude já estabelecidas para
que os fenômenos possam ser analisados
e confrontados com os resultados
das modelagens numéricas. São
apresentados na figura 2, de forma
comparativa, os estados de tensões
aos quais o modelo e o protótipo são
submetidos.
instalações da uenF
A centrífuga geotécnica da UENF foi
projetada pela Wyle laboratories e
encontra-se abrigada em prédio próprio,
especialmente construído para
permitir seu funcionamento com máxima
segurança.
Dentre as principais características
destacamos sua capacidade de simulação
de modelos de até uma tonelada
serem submetidos a uma força
gravitacional de 100 g. A centrífuga
possui duas cestas que abrigam os
containers (modelos), permitindo
dois ensaios simultâneos (veja figura
3a). O controle dos ensaios e a aquisição
dos dados em tempo real duran-
Figura 3a – Centrifuga Geotécnica da uenF
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te o voo são feitos a partir da sala de
controle que fica localizada fora da
câmara de ensaio (veja figura 3b).
O motor de 800A que movimenta a
centrifuga tem potência para fazê-la
girar a velocidade de 270rpm, velocidade
necessária para se alcançar a
gravidade máxima de 100 g.
Os modelos físicos são construídos
em caixas apropriadas (containers retangulares
e cilíndricos), que são projetadas
para suportar os esforços sob
os quais são submetidas nesses níveis
de aceleração (veja figuras 4a e 4b).
Para monitorar os modelos físicos o
laboratório possui um conjunto de
instrumentos miniaturizados, próprios
para uso em trabalhos em centrífugas,
para medir poro-pressão,
força, deslocamento, aceleração e
tensão total (veja figuras 5a, 5b e 5c).
Figuras 4a – Caixa para construção de
modelos físicos
Figuras 4b – Caixa para construção de
modelos físicos
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Figura 3b – sala de controle e aquisição de dados
Figura 5a
Figura 5b
Figura 5c
instrumentação em miniatura para modelos reduzidos (transdutores de força, pressão total,
pressão, deslocamento e acelerômetro) e aparelho de minipiezocone

Figura 6 – estaca torpedo sendo transportada
Figura 7 – lançamento de uma estaca torpedo
Figuras 8 – sistema de ancoragem com estacas de sucção
(Cortesia: Gonçalves e Costa, 2002 – Petrobrás)
traBalhos
desenvolvidos
Naturalmente, tendo em vista o forte
investimento da Petrobras/ANP na
finalização da montagem da infraestrutura
da centrifuga geotécnica, os
primeiros ensaios que geraram dissertações
de mestrados desenvolvidas
com modelos físicos em centrifuga
e as primeiras teses de doutorado
que estão iniciando no Programa de
Pós-graduação em Engenharia Civil
da UENF, são relacionadas a área de
petróleo e gás. O tema da primeira
bateria de estudos foi relacionado à
fixação de plataformas com Estacas
Torpedo e com Estacas de Sucção.
Na segunda etapa foram desenvolvidos
estudos sobre o comportamento
geotécnico de dutos enterrados submetidos
à sub-pressão.
Estacas Torpedo e Estacas de Sucção
Estacas Torpedo são ancoragens cuja
geometria é semelhante a um projétil
de grandes dimensões na forma de
torpedo (veja figura 6 ). Seu lançamento
dá-se em queda livre (veja figura 7),
a cerca de 200 metros acima do leito
marinho, e a cravação ocorre pela
energia acumulada durante a queda.
As Estacas de Sucção são cravadas
inicialmente pelo peso próprio e depois
submetidas a sucção interna objetivando
um sobrecravação no leito
marinho. Um esquema de ancoragem
com Estaca de Sucção bem como sua
geometria podem ser vistos nas figuras
8 e 9, respectivamente.
Figura 9 – estacas de sucção
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O primeiro estudo elaborado na centrífuga
geotécnica da UENF avaliou o
desempenho de três tipos de Estacas
Torpedo usadas pela Petrobras como
âncoras de plataformas flutuantes.
Uma delas, com a mesma geometria
daquela utilizada pela Petrobras, era
comparada às demais, cujas geometrias
foram definidas após estudos hidrodinâmicos
realizados no laboratório
de Modelos Reduzidos da UENF.
Essas estacas foram construídas na escala
de 1:50 (veja figura 10), inseridas
no modelo, submetidas a gravidade
de 50 g e depois arrancadas durante
o voo para determinação de sua capacidade
de ancoragem. O resultado
de um ensaio de arrancamento dessas
estacas pode ser visto na figura 11.
Os ensaios em Estacas de Sucção tinham
como objetivo principal avaliar
o desempenho dessas estacas submetidas
a carregamentos verticais.
Estas estruturas, como foi mostrado
anteriormente, são usualmente utilizadas
como âncoras de plataformas
flutuantes.
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As estacas foram preparadas com
duas geometrias diferentes, a primeira
com fuste liso e a segunda com fuste
escamado para avaliação do efeito
da rugosidade no aumento da capacidade
de carga. Os resultados obtidos
em condições de tensões induzidas
sugerem que a capacidade de permanência
das estacas escamadas é de
40 % a mais que as estacas com fuste
liso (veja figura 12).
Figura 12 – estaca de sucção: resultados dos ensaios em Centrífuga a 50 g
Figura 10 – Modelos de torpedo testados
na Centrífuga
Figura 11 – resultado de ensaios de arrancamento de um torpedo a 50 g

Dutos enterrados
Outro importante desafio a ser enfrentado
na área de petróleo e gás é a
segurança de dutos, principalmente
aqueles que transportam produtos
potencialmente perigosos, como gás
e óleo.
Um problema de ocorrência não muito
rara é o afloramento desses dutos
devido à elevação do lençol freático
(veja figura 13), dilatação (buckling) ou
outro mecanismo de levantamento.
Figura 13 – dutos construídos em locais de
risco devido ao lençol freático
Dessa maneira, foi desenvolvido um
novo estudo que avaliou a eficiência
de geossintéticos (geogrelhas) na ancoragem
de dutos quando submetidos
à subpressão na tentativa de evitar
o seu afloramento (veja figuras 14a e
14b). Esta solução apresentou resulta-
Figura 14a – Modelo usado na Centrífuga
para estudos de ancoragens de dutos
enterrados
14b – resultados de ensaios de arrancamento de dutos a 10 g
dos extremamente satisfatórios, motivando
a Petrobras a executar ensaios
em verdadeira grandeza para testar a
viabilidade do sistema proposto em
escala real. A escala utilizada nos ensaios
em centrífuga foi de 1:20.
PersPectivas
de ProJetos
A centrífuga geotécnica é uma poderosa
ferramenta de modelagem física
de casos complexos e que demandam
resultados preliminares para
calibração de modelos numéricos ou
para avaliação de um fenômeno ainda
pouco conhecido.
A principal vantagem do uso desse
equipamento é a possibilidade de reconstituição
das tensões oriundas das
forças gravitacionais sob as quais o
protótipo estará submetido. Com isso,
utilizando-se de leis de semelhanças,
pode-se reproduzir o comportamento
da estrutura ou do fenômeno estudado
com se esses estivessem na sua
verdadeira grandeza.
Neste contexto, a centrífuga vem despertando
o interesse de grandes empresas
e instituições de pesquisa co-
mumente envolvidas em projetos de
grande complexidade. Estudos sobre
estabilidade de taludes submarinos e
avaliação de segurança de barragens
com núcleo asfálticos estão entre
aqueles programados para serem
desenvolvidos em futuro próximo na
centrífuga Geotécnica da UENF.
Fernando saboya Jr.
Engenheiro civil, doutor em
Geotecnia pela PUC-Rio,
professor titular do laboratório
de Engenharia Civil da UENF.
Coordenador do Programa de
Pós-graduação em Engenharia
Civil da UENF
saboya@uenf.br
sérgio tibana
Engenheiro civil, doutor em
Geotecnia pela PUC-Rio, professor
associado do laboratório de
Engenharia Civil da UENF
tibana@uenf.br
rodrigo Martins reis
Engenheiro civil, doutor em
Geotecnia pela USP, professor
associado do laboratório de
Engenharia Civil da UENF
reis@uenf.br
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