Simulação numérica da transferência simultânea de energia e umidade através do solo em um sistema trocador-armazenador de calor

O presente trabalho pesquisa o fenômeno da transferência simultânea de calor e umidade em solos insaturados que envolvem dutos enterrados. Estes dutos e o solo envolvente compõem o chamado sistema trocador-armazenador de calor no solo, que é muitas vezes utilizado como fonte complementar de aquecimento em estufas solares agrícolas. O funcionamento do sistema trocador-armazenador de calor é baseado na energia armazenada no solo durante os horários de máxima insolação, sendo que durante a noite parte desta energia é recuperada. Durante o dia o ar quente do meio interno da estufa solar é bombeado para dentro do feixe de tubos enterrados, que devolvem o ar mais frio na outra extremidade. Por outro lado, durante a noite o ar mais frio do meio interno da estufa é bombeado para dentro dos dutos, os quais efetuam troca térmica com o solo envolvente, que neste horário possui a temperatura mais elevada do sistema. O objetivo geral deste trabalho é resolver o problema transiente periódico e tridimensional da transferência simultânea de calor e umidade em solos não-saturados, que compõem o sistema trocador-armazenador de calor, utilizando a simulação numérica. Como objetivos secundários têm-se: o melhoramento do sistema de troca térmica, a quantificação da parcela de calor transportado pela difusão da umidade no solo e a análise dos campos de temperatura e de conteúdo de umidade, sendo que a análise dos campos de umidade permite verificar se existe formação de frentes de secagem significativas na vizinhança dos dutos durante os sucessivos períodos de aquecimento e resfriamento a que o sistema é submetido. Na resolução do problema em questão é empregado o modelo clássico de Philip e De Vries para a transferência simultânea de calor e massa em meios porosos insaturados Neste modelo, as equações de conservação de energia e massa obtidas trazem explicitamente as influências combinadas dos gradientes de temperatura e de conteúdo de umidade nos processos de transporte de calor e umidade. O sistema de equações diferenciais governantes do problema em questão é resolvido numericamente utilizando o Método dos Volumes Finitos e na discretização destas equações é usada uma integração temporal totalmente implícita. Todas as propriedades difusivas e termofísicas empregadas são consideradas variáveis com a temperatura e o conteúdo de umidade. Os dutos de seção transversal circular do sistema trocadorarmazenador de calor no solo, são modelados como dutos de seção transversal quadrada de área equivalente para que coordenadas cartesianas possam ser utilizadas nos modelos analisados. Neste trabalho são simulados quatro modelos computacionais associados ao sistema trocador-armazenador de calor no solo. Estes modelos são compostos por: um duto isolado, um duto com convecção, dois dutos isolados e dois dutos com convecção. A variação da temperatura do ar na entrada do(s) escoamento(s), assim como a temperatura do meio ambiente, para os modelos com convecção, é dada por uma senóide com uma amplitude de 14 ºC. No modelo de um duto isolado, são realizadas simulações utilizando várias combinações dos parâmetros do modelo em questão e os resultados, assim obtidos, são comparados com aqueles encontrados na literatura Visando melhorar o sistema de troca térmica dos modelos computacionais investigados, são selecionados valores e intervalos de valores recomendados para os parâmetros do modelo de um duto isolado. Para este modelo, com um diâmetro de 0,1 m, são escolhidos valores (ou intervalos de valores) recomendados: de 4 m/s para a velocidade do escoamento interno dentro do duto, de 0,25 para o conteúdo de umidade do solo, de 5 até 20 metros para o comprimento do duto e de 0,20 até 0,30 m para a distância entre centros do dutos. As simulações dos quatro modelos computacionais realizadas utilizando as várias combinações dos valores recomendados para os parâmetros destes modelos, mostrou que não há diferença significativa entre os valores de calor volumétrico armazenado no solo empregando a resolução acoplada das equações de energia e de massa e a resolução da equação da temperatura. Mesmo para os modelos de um e de dois dutos com convecção a diferença percentual encontrada foi insignificante. Finalmente, são apresentados e analisados os campos de temperatura e de conteúdo de umidade para os quatro modelos computacionais avaliados. Os perfis de temperatura e de conteúdo de umidade em diferentes horários mostraram que, durante o dia, o solo absorve calor dos escoamentos internos de ar e, uma vez que, junto à superfície dos dutos tem-se regiões de maior temperatura, há, conseqüentemente, uma migração da umidade nestas regiões. Durante a noite, ocorre o contrário, o solo fornece calor aos escoamentos dentro dos dutos, e, desta forma, as regiões próximas aos dutos apresentam níveis de conteúdo de umidade superiores ao inicial. Ainda, os perfis de conteúdo de umidade para todas as situações analisadas mostraram que, não há formação de frentes de secagem significativas nas proximidades dos dutos que compõem os quatro modelos computacionais avaliados.

Mobilidade do sulfentrazone em Nitossolo Vermelho e em Neossolo Quartzarênico

O objetivo deste trabalho foi determinar a mobilidade do herbicida sulfentrazone em duas classes de solos (Nitossolo Vermelho e Neossolo Quartzarênico), em função de índices pluviométricos crescentes, sendo, portanto, influenciado pelas propriedades químicas e físicas dos solos com diferentes teores de ferro. em tubos de PVC de 10 cm de diâmetro por 50 cm de comprimento, preenchidos com os solos e saturados com água a 65% (p/p), foi aplicado o sulfentrazone (800 g ha-1). Na seqüência, foram simuladas chuvas diárias de 10 mm até atingir os índices pluviométricos de 30, 60 e 90 mm. Os tubos de PVC foram então desmontados - semeando-se Sorghum bicolor nas profundidades correspondentes de 2,5; 7,5; 12,5; 17,5; 22,5; e 30,0 cm da superfície do tubo - e mantidos em casa de vegetação por 15 dias, para avaliação da germinação e do crescimento inicial das plântulas. No final do experimento foram avaliadas as alterações morfofisiológicas que caracterizavam os efeitos tóxicos do produto, além de se medir o comprimento da parte aérea até a última lígula visível e a fitomassa seca das plantas. Quando sob precipitação de 90 mm no Neossolo Quartzarênico, o sulfentrazone formou uma banda de arraste de até 12,5 cm e, no Nitossolo Vermelho, até os 7,5 cm.

CALIBRAÇÃO DE UM REFLECTÔMETRO PARA ESTUDOS DO FLUXO DE ÁGUA EM SOLO NÃO SATURADO

Este trabalho trata sobre a calibração de um aparelho baseado na técnica TDR para estudos do fluxo de água em solo não saturado, com base na medição indireta da umidade, sucção matricial (ψ) e condutividade hidráulica não saturada k(ψ), num perfil de solo inalterado. Isto é possível mediante ensaios de laboratório decorrentes da mecânica de solos tradicional e não saturada, a partir de amostras indeformadas retiradas a diferentes profundidades durante a construção de um poço, onde foram instaladas as sondas do TDR. Dos ensaios, obtiveram-se equações polinomiais para relacionar o comportamento da variação do período de tempo do pulso eletromagnético percorrido pela sonda TDR com a variação da umidade do solo e modelos de van Genuchten (1980) para relacionar a umidade com (ψ) e k(ψ). Os resultados mostraram que, para a calibração da umidade neste tipo de solos, um ajuste polinomial de quarto grau se apresenta como melhor alternativa em relação às expressões existentes em lugares onde foram derivadas estas teorias. Adicionalmente, se observou, que as maiores variações de (ψ) e k(ψ). ocorrerão entre a saturação e 10% de umidade devido à peculiaridade da curva de retenção. Finalmente, a presente calibração se apresenta como um expediente útil e prático para estudos hidrodinâmicos de solos não saturados. Palavras-chave: calibração, reflectômetro, teor de umidade, solo não saturado.

Abordagem rítmica probabilística aplicada em análises de fluxo e estabilidade de taludes

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, 2015.

Estudo geotécnico sobre a erodibilidade de solos residuais não saturados

A erodibilidade, particularizada como a susceptibilidade a erosão hídrica por fluxo superficial concentrado, é uma das propriedades de comportamento dos solos de maior complexidade pelo grande número de variáveis intervenientes. Estudada por diferentes áreas do conhecimento (Agronomia, Hidráulica, Geologia de Engenharia e Engenharia Geotécnica), tem no meio geotécnico a maior lacuna na sua quantificação e entendimento dos mecanismos envolvidos. O presente trabalho apresenta um estudo sobre a erodibilidade de solos residuais tropicais e subtropicais não saturados a partir de quatro perfis representativos dos processos erosivos e solos envolvidos na Região Metropolitana de Porto Alegre. Os solos dos principais horizontes de cada um destes perfis foram caracterizados física, química e mineralogicamente. As propriedades de resistência ao cisalhamento e colapsibilidade foram avaliadas por ensaios de cisalhamento direto convencionais e com controle de sucção e por ensaios de colapsibilidade em oedômetros, respectivamente. A erodibilidade foi avaliada em laboratório, diretamente por meio de ensaios de Inderbitzen e indiretamente por diferentes critérios e parâmetros baseados em outras características físicas e propriedades dos solos. A análise conjunta do comportamento dos solos em campo frente a erosão, da avaliação direta e indireta da erodibilidade e das propriedades geomecânicas investigadas conduziram à formulação de uma proposta de abordagem geotécnica para a erodibilidade dos solos residuais tropicais e subtropicais não saturados. Nesta proposta destaca–se a avaliação direta da erodibilidade por ensaios de Inderbitzen e a indicação de solos potencialmente erodíveis baseada no teor de finos, na plasticidade, no parâmetro K da USLE, na Razão de Dispersão de Middleton, na classificação e critério de erodibilidade MCT e na variação da coesão com a saturação pelo parâmetro variação de coesão (Δc) proposto. A proposta de abordagem geotécnica para a previsão da erodibilidade dos solos visa dotar o engenheiro geotécnico de uma ferramenta destinada à avaliação do potencial erosivo dos terrenos antes de uma iniciativa de ocupação urbana ou implantação de qualquer outra obra de engenharia. Esta avaliação é o passo inicial no direcionamento de medidas preventivas e que visem minimizar o impacto da obra ao meio físico natural, no que se refere a erosão hídrica por fluxo superficial concentrado.

Tratamento de chorume através de percolação em solos empregados como material de cobertura de aterros para resíduos sólidos urbanos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Análise de chips de pneus usados para aplicações em sistemas de drenagem de cobertura final de aterros sanitários

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente, Perfil gestão e sistemas ambientais

Metodologias no Controlo de Compactação em Aterros

O presente trabalho pretende abordar aspectos relacionados com o controlo de compactação em aterros, com base na avaliação de parâmetros “in situ”, tais como: pesos volúmicos, teores em água, graus de compactação e módulos de deformabilidade. Recorrendo aos métodos correntes no controlo de compactação, como o ensaio de carga em placa, gamadensímetro, garrafa e ao ensaio de deflectómetro de impacto portátil. Visa-se comparar os resultados obtidos, nas diferentes condições, de modo a possibilitar alcançar correlações entre os ensaios, bem como determinar aqueles que apresentam maior grau de confiança técnico e vantagens operacionais e económicas. De modo a garantir os índices de qualidade da obra é necessário fazer cumprir os critérios exigidos pelo caderno de encargos, nomeadamente nos parâmetros de avaliação do controlo de compactação, para que estas satisfaçam o seu estado funcional e estrutural. Neste tipo de obras os cadernos de encargos de referência em Portugal são os das Estradas de Portigal (EP) e da Brisa, Auto-estradas de Portugal (Brisa), os quais se baseiam em recomendações de classificações de solos. No contexto experimental, foram efectuados dois estudos com condições e materiais diferentes, em obras pertencentes à empresa Mota-Engil Engenharia e Construções, S.A. Nas campanhas de ensaios foram realizados ensaios “in situ” na obra da Subconcessão do Douro Interior – Lote 6 – IC5 – Troço Murça/ Nó de Pombal nas camadas de sub-base e base num agregado de granulometria extensa, e na obra de modernização do troço ferroviário Bombel e Vidigal a Évora, em solos.

Estabilidade de taludes de aterros não controlados de resíduos

A presente dissertação tem como objetivos avaliar a aplicabilidade dos métodos de equilíbrio limite para análises de estabilidade de taludes em solos no estudo de estabilidade de taludes em aterros de resíduos não controlados (lixeiras). A metodologia adoptada desenvolveu-se em quatro etapas: (i) numa primeira etapa são definidos os parâmetros físicos e mecânicos de resíduos para efectuar a análise de estabilidade; (ii) a segunda etapa consiste na realização de trabalhos de campo para obtenção dos parâmetros definidos na etapa precedente, tratamento e interpretação dos dados; (iii) na terceira etapa são aplicados os métodos de estabilidade de taludes e realizada uma análise de sensibilidade dos factores de segurança; (iv) na quarta e última etapa são apresentadas medidas de mitigação e controlo do risco geotécnico para as situações em que os critérios de segurança não sejam cumpridos. A metodologia foi aplicada a um aterro de resíduos não controlado localizado no ecoparque de Trajouce (Tratolixo) que à data deste estudo apresentava indícios de instabilidade na crista do talude nascente da infraestrutura. O estudo iniciou-se com uma revisão bibliográfica acerca dos LEM, utilizados universalmente para a análise de estabilidade de taludes em solos, com o objectivo de determinar qual o método que mais se adequaria para realizar a análise de estabilidade. Foi, ainda, efectuada uma recolha bibliográfica para as propriedades físico-mecânicas dos solos e resíduos sólidos urbanos. A determinação das propriedades físico-mecânicas dos resíduos foi efectuada com recurso à Mecânica dos Solos, uma vez que os solos são o material geotécnico cujas propriedades mais se assemelham às dos resíduos. A análise de estabilidade do talude nascente foi realizada com recurso a três perfis topográficos, para os quais foram realizadas análises determinísticas, probabilísticas e de sensibilidade. As duas últimas análises assumem particular importância não só devido ao desconhecimento dos materiais presentes na lixeira, como também devido à heterogeneidade e anisotropia das propriedades dos resíduos. Por fim, propõem-se algumas medidas que contribuem para um aumento da estabilidade do talude nascente da infra-estrutura.

Reforço de fundações em solos margosos

Os solos de natureza margosa apresentam, frequentemente, características geotécnicas menos favoráveis para funcionarem como terreno de fundação. Dadas as suas especificidades geotécnicas interessa o seu estudo, bem como, a avaliação da aplicabilidade e adequabilidade de diferentes métodos de reforço aos tipos de terreno em análise, que permitam ultrapassar limitações geomecânicas existentes. Na presente dissertação visa-se estudar a caracterização geológica-geotécnica de solos de natureza margosa e analisa-los como material de aterro para fundações. Pretende-se, igualmente, abordar as principais técnicas de melhoramento aplicáveis aos terrenos indicados, expondo os aspectos mais relevantes. Através de um estudo de caso, pretendeu-se analisar a temática escolhida num contexto real. Foi estudado o caso de fundações em aterros margosos que apresentaram comportamentos geotécnicos inadequados e onde foi preconizada a realização de trabalhos de reforço. A obra em estudo está localizada num empreendimento industrial perto de Coimbra e inclui duas ocorrências distintas onde foram implementadas soluções de reforço por jet grouting. As singularidades geotécnicas e estruturais de cada caso exigiram a adopção de diferentes abordagens da técnica, designadamente, soluções de jet grouting vertical e sub-horizontal. Ambos os casos foram analisados no que diz respeito às suas especificidades construtivas, comportamento geotécnico em fase de construção, soluções de reforço executadas e eficácia na mitigação dos problemas existentes.

Modelação numérica de uma solução de reforço de solos para fundações de aerogeradores

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Estimativa dos parâmetros de compactação de solos usando técnicas de data mining

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Metais pesados em solos de área de mineração e metalurgia de chumbo: I - Fitoextração

A fitoextração tem sido sugerida como alternativa viável às práticas tradicionais de recuperação de solos contaminados por metais pesados (remoção do solo e destinação em aterros ou coprocessamento em cimento, etc.), em razão dos menores custos e por ser menos impactante ao ambiente. Este trabalho objetivou avaliar a fitoextração induzida (uso de ácido cítrico como agente quelante) de metais pesados, com o cultivo de aveia-preta (Avena strigosa Schreber), girassol (Helianthus annuus L.) e grama-batatais (Paspalum notatum Flügge), em solos poluídos (solos 2, 3 e 4) de uma área de mineração de Pb em Adrianópolis (PR). O solo 1 foi amostrado em área de mata nativa (referência). O experimento foi realizado em casa de vegetação, com três repetições. Foram determinados os teores de Pb, Cd, Cu, Ni, Cr e Zn no solo com HNO3/HCl (3:1) concentrados. Após a colheita das plantas, determinaram-se a massa de matéria seca e os teores de metais pesados nas raízes e parte aérea (digestão nítrico-perclórica). Os solos contaminados (2, 3 e 4) apresentaram as seguintes faixas de teores de metais pesados (mg kg-1): Pb - 2.598,5 a 9.678,2; Cd - 1,9 a 22,2; Cu - 165,5 a 969,2; Ni - 22,6 a 38,4; Cr - 15,2 a 27,8; e Zn - 87,4 a 894,8. A adição de quelante não induziu a uma absorção mais efetiva de metais pesados pelas plantas. O solo 2 possibilitou melhor crescimento das plantas, e o girassol deve ser preferido na fitorremediação das áreas sob as mesmas condições. Na área próxima à planta fabril (solo 3) e nas áreas com grande ocorrência de rejeitos (solo 4), a fitoextração não foi eficiente. Nesses ambientes, recomenda-se o estudo de outras plantas nativas e, ou, exóticas resistentes a altos teores de Pb (solo 3) ou a remobilização de solo mais rejeito para aterros industriais (solo 4).

Estudo do comportamento mecânico de solos lateríticos da formação barreiras

Os solos residuais tropicais são solos que tem sido objeto de pesquisa devido às suas peculiaridades em relação aos solos sedimentares. Estes solos sofrem alterações de suas características devido às condições geológicas nas quais são formados e em consequência apresentam uma composição mineralógica diferenciada. O presente trabalho apresenta um estudo sobre o comportamento mecânico de três solos residuais tropicais pertencentes a jazidas do Estado da Paraíba, no nordeste do Brasil O comportamento mecânico foi avaliado em termos de resistência ao cisalhamento e compressibilidade na condição compactada (não saturada) e após foi realizada uma análise conjunta de tais propriedades com as características químicas e mineralógicas dos solos. O programa experimental constou de ensaios edométricos e ensaios de cisalhamento direto nas condições saturadas e não saturadas. Este trabalho apresenta ainda uma análise dos vazios existentes nas várias condições de compactação, através da técnica de porosimetria por intrusão de mercúrio e microscopia ótica. Os resultados mostraram que o comportamento mecânico não saturado recebe a influência da densidade e do teor de umidade inicial de compactação, bem como da composição química-mineralógica e do tipo de poro presente na estrutura. Foi verificada a influência da sucção nos parâmetros de resistência ao cisalhamento não saturados e nas características de compressibilidade.

Comportamento dos contaminantes nos solos e águas subterrâneas em depósito de resíduos do refino de petróleo - Borreiro - Na Refinaria Alberto Pasqualini, RS

Resíduos do refino de petróleo dispostos no meio ambiente representam fontes de contaminação por metais pesados e hidrocarbonetos para solos, subsolos, águas superficiais e subterrâneas. O presente estudo foi realizado na área designada Borreiro da Refinaria Alberto Pasqualini, RS – REFAP, onde nas décadas de ‘70 e ‘80 foram depositados resíduos do refino de petróleo (borra) intercalados com camadas de aterros em volume total da ordem de 100.500 m3. O uso da área cessou há cerca de 20 anos, estando os materiais, desde então sujeitos aos mecanismos de atenuação natural. É objetivo do trabalho avaliar a situação da área, relacionando e descrevendo as interações dos sedimentos e das águas subterrâneas com os contaminantes. Para caracterização geológica e hidrogeológica da área foram realizadas 35 sondagens e construídos 6 poços de monitoramento com profundidades de 5 a 7 metros. Visando avaliar a contaminação do meio ambiente pela disposição de borra, foram amostrados os materiais do depósito, bem como os sedimentos cenozóicos que constituem a base do depósito, formada dominantemente por areia fina siltico-argilosa. Também foram coletadas, amostras de águas subterrâneas do aqüífero freático que juntamente com os sedimentos foram analisadas por Espectrofotometria de Absorção Atômica e por Cromatografia Gasosa. Para caracterização da distribuição espacial e análise da mobilidade dos componentes da borra, foram construídos mapas de isoteores e perfis verticais das sondagens, comparando textura dominante e profundidade de cada amostra com seu conteúdo de contaminante. Foram realizados testes de lixiviação e de solubilização para avaliar a relação dos contaminantes com os materiais, permitindo classificar as amostras de acordo com a NBR-10.004, determinando, assim as zonas mais impactadas da área. A caracterização geológica e hidrogeológica serviu de base de dados para a apresentação da dispersão dos contaminantes no depósito, nos sedimentos cenozóicos e no aqüífero freático. Foi definida a dispersão dos contaminantes orgânicos nas fases, livre, adsorvida, residual, gasosa e dissolvida bem como a distribuição dos metais na superfície, no subsolo e nas águas subterrâneas.