DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA AUTOMATIZADO PARA O
MONITORAMENTO DO EFEITO DA CHUVA NA ESTABILIDADE DE
TALUDES INFINITOS
DOI: 10.37702/2175-957X.COBENGE.2021.3585
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Resumo: Os taludes infinitos são estruturas em rocha ou solo que possuem
grande extensão e espessura, sendo utilizados em diversas áreas, principalmente
nas Engenharias de Minas e Civil. A ruptura de tais estruturas pode causar danos
diretos e indiretos, em muitas situações irreversíveis. A percolação de águas
pluviais em taludes é um dos principais gatilhos em problemas de instabilidade,
ocasionando a saturação desses materiais e, consequentemente, reduzindo suas
forças resistivas até um ponto crítico, no qual acontece o seu rompimento. A
presente pesquisa tem como principal objetivo a proposição de um sistema para o
monitoramento do efeito das chuvas na estabilidade de taludes infinitos. O projeto
consiste na medição automatizada do volume de precipitação em um talude por
meio de um pluviômetro digital. Os dados captados são transmitidos via wireless
por um transceptor e, à determinada distância, em um escritório por exemplo,
recebidos por outro transceptor. Após receber os dados, um software desenvolvido
em linguagem "C sharp" calcula o fator de segurança em tempo real. O programa
desenvolvido é capaz de relacionar o volume de água obtido com o fator de
segurança com base nas análises determinísticas para estabilidade de taludes. As
variáveis relacionadas são: ângulo de atrito, inclinação do talude, coesão, altura do
talude, porosidade, peso da amostra seca, peso específico da água e peso
específico das partículas sólidas. O protótipo do sistema automatizado
desenvolvido atendeu as expectativas, fornecendo em tempo real o fator de
segurança do talude, para que, dessa forma, tragédias com danos materiais e
fatais possam ser previstas e evitadas.
Palavras-chave: Estabilidade de Talude. Pluviosidade. Taludes infinitos. Software.
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA AUTOMATIZADO PARA O
MONITORAMENTO DO EFEITO DA CHUVA NA ESTABILIDADE DE
TALUDES INFINITOS
1
INTRODUÇÃO
Os taludes infinitos são estruturas em rocha e/ou solo que possuem grande
extensão e espessura, sendo comumente presente em encostas naturais e retaludadas
em rodovias. Atualmente, uma das grandes dificuldades da geotecnia está relacionada a
estabilidade de taludes. Tal fato ocorre devido aos impactos com caráter potencialmente
catastróficos gerados por movimentação de massa que podem ser diretos e/ou indiretos
resultando em problemas estruturais, econômicos e sociais.
As causas envolvendo rupturas de taludes podem estar associadas a diversos
aspectos como geográficos, geológicos, geomorfológicos e climáticos. (CASTRO, 2012).
A pluviosidade é um dos fatores de destaque em relação aos aspectos climáticos já que a
mesma é capaz de gerar a mobilização quase imediata dos materiais que formam o
talude, tanto pelo aumento rápido dos esforços como pela redução da resistência ao
cisalhamento (HOYOS, 2014). No Brasil é comum ocorrer deslizamentos de massas em
diversas regiões em períodos chuvosos fomentando em problemas sociais, ambientais e
econômicos.
Uma maneira de evitar e controlar possíveis deslizamentos é por meio do
monitoramento do talude em tempo real. Dessa forma, é exequível a execução de um
plano de emergência para mitigar os danos e possibilitar a retirada da população que vive
no entorno da encosta. O controle do talude pode ser realizado utilizando o fator de
segurança que relaciona as forças atuantes e resistentes no maciço. Um método
existente é o de taludes infinitos, no qual, considera-se que o talude tem grandes
extensões e uma espessura de solo capaz de se movimentar (GUERRA, 2015). Os
valores limites admissíveis de fator de segurança irão depender das condições do talude
e dos possíveis danos causados em uma condição de ruptura.
A pesquisa em questão teve como objetivo principal a proposta de um sistema de
monitoramento para taludes infinitos. O monitoramento foi feito por meio de um programa
desenvolvido que recebe os dados de volume de chuva infiltrado no solo e calcula o fator
de segurança determinado com base nas análises determinísticas para estabilidade de
taludes. As variáveis relacionadas são: ângulo de atrito, inclinação do talude, coesão,
altura do talude, porosidade, peso da amostra seca, peso específico da água e peso
específico das partículas sólidas. Por fim, um gráfico correlacionando o fator de
segurança e tempo é plotado permitindo o monitoramento em tempo real.
2
REFERENCIAL
2.1
Movimento de massas
Os movimentos de massas configuram-se como eventos catastróficos e acontecem
frequentemente em diversas localidades e com intensidades diferentes. Os mesmos
apresentam um maior potencial em zonas tropicais e montanhosas visto que as
características fisiológicas do relevo e das atividades antrópicas intensificam esses
fenômenos (Schuster, 1996). Para Oliveira (2012), esses acontecimentos são de suma
importância tanto em questão da evolução das encostas como em relação as
consequências econômico-sociais resultantes dos processos de risco.
As classificações dos movimentos de massas variam muito na bibliografia e uma
delas se baseia em dois fatores: a velocidade de movimentação e a forma de ruptura. A
partir disso, é possível agrupar em três grupos os movimentos de massas: escoamentos,
subsidências e escorregamentos. O quadro abaixo mostra a classificação de massas por
Freire (1965).
Quadro 1: Classificação dos movimentos de massas
Fonte: Freire (1965)
2.2
Causas gerais de escorregamentos
De acordo com Massad (2010) e Caputo (2003), as principais causas de
movimentos de massa para estão relacionadas com o aumento de peso do talude e com
as alterações de geometria do mesmo. No primeiro caso têm-se uma sobrecarga no topo
das encostas enquanto no segundo ocorre p descalçamento do pé do talude por meio de
cortes e escavações.
Segundo Oliveira (2012) e Massad (2010), a precipitação é uma condicionante
importante em todos os tipos de movimentação de massas, principalmente, em
escorregamentos e corridas. A infiltração de água eleva as pressões neutras reduzindo a
resistência do solo que suscita na diminuição dos parâmetros de resistência, como
exemplo a coesão aparente. Nesses casos, a umidade e/ou saturação do solo deflagam a
desagregação e transporte do material.
No caso dos escorregamentos, a instabilidade do talude ocorre quando as tensões
cisalhantes mobilizadas são iguais à resistência ao cisalhamento, ou seja, o fator de
segurança do talude se torna 1.
2.3
Análise de estabilidade
De forma geral, a análise do fator de segurança possibilita averiguar o quanto uma
encosta é e/ou será estável além de verificar movimentos já ocorridos. Existem duas
abordagens possíveis: a análise probabilística e análise determinísticas A primeira é descrita
como sendo o primeiro passo para a quantificação do risco geotécnico sendo necessário
conhecer as distribuições ou funções de densidade de probabilidade e a estatística das
variáveis inerentes ao problema. (CASTRO, 2012). Já a segunda está associada a obtenção
de um fator de segurança e para tal é necessário obter valores fixos das variáveis de
resistência ao cisalhamento (SOUZA E VIEIRA, 2007).
2.4
Teoria de Equilíbrio Limite
A análise por equilíbrio limite é baseada no equilíbrio de uma massa ativa ao longo de
uma superfície com potencial de ruptura. Essa superfície pode apresentar diferentes
geometrias, porém para as análises determina-se um mecanismo de ruptura para a superfície
podendo ser circular, planar, etc. Além disso, os cálculos são realizados por meio das
equações da estática tendo-se o equilíbrio de forças subdividindo a massa de solo em fatias
para análise em cada uma. Nos métodos do equilíbrio limite nem sempre as três equações da
estática são satisfeitas, portanto, cada método faz suas considerações para que seja possível
realizar as análises.
2.5
Talude Infinito
Na teoria do equilíbrio limite existem diversos métodos possíveis de serem usados
paras as análises de estabilidade. Cada um deles se propõe a verificar problemas
diferentes sendo necessário, assim, seguir as premissas de cada método.
Um deles é o método de talude infinito que tem como premissa uma encosta
natural com grandes extensões e uma espessura de solo fina capaz de se movimentar. A
ruptura geralmente ocorre em contato com materiais de diferentes resistências com
escorregamento translacional e paralelo a superfície (GUERRA, 2015). A figura 1 é um
esquemático de um talude e seus elementos.
Figura 1 - Elementos de um talude
Fonte: Londe E Bitar (2011).
3
METODOLOGIA
Para a realização da pesquisa foram feitos levantamentos bibliográficos acerca de
trabalhos publicados que envolvam as técnicas de monitoramento de taludes, a
estabilidade de taludes infinitos e os sistemas de monitoramento existentes. A partir dos
estudos realizados optou-se por utilizar a analise determinística com a teoria do equilíbrio
limite sendo o método de talude infinito escolhido.
Para o desenvolvimento do programa de monitoramento, o primeiro passo consistiu
na captação da pluviosidade por um pluviômetro digital que emite pulsos a cada 0,25 mm
de chuva. Para coletar e enviar esses dados a um programa foi utilizado um módulo ESP
8266 que é um microcontrolador capaz de transmiti-los via wireless. Nesse caso, foi
usado um receptor igual ao transmissor que se conecta a um cabo serial que por sua vez
se conecta ao computador. Dessa forma, os dados obtidos são convertidos em serial
antes de chegar ao computador permitindo que o programa faça a leitura.
O software para recebimento dos dados, cálculo do fator de segurança e
monitoramento foi desenvolvido em uma plataforma livre tendo como linguem escolhida a
“C SHARP”. O programa é capaz de receber o dados e realizar o cálculos necessários,
porém é necessário que algumas variáveis intrínsecas ao material (coesão, ângulo de
atrito, porosidade, peso da amostra seca, peso específico da água, peso específico das
partículas sólidas) e algumas características do próprio talude (altura e inclinação) sejam
fornecidas pelo usuário. Com todos esses valores, o software calcula o fator de segurança
baseado nas alterações que a percolação de água causa nos índices físicos do maciço.
O fator de segurança foi baseado em análises determinísticas para estabilidade de
taludes e, para tanto, estudos acerca dos índices físicos foram realizados. A equação
utilizada é descrita por Gerscovich (2009):
𝐹𝑆 =
𝑐 ′ + (𝛾. ℎ. 𝑐𝑜𝑠 2 𝛽 − 𝑢). 𝑡𝑎𝑛∅
𝛾. ℎ. 𝑠𝑒𝑛𝛽. 𝑐𝑜𝑠𝛽
(1)
Com o valor de fator de segurança calculado o software plota um gráfico, fator de
segurança x tempo, que permite o monitoramento em tempo real do talude em análise.
Além disso, foi usado um sistema fotovoltaico, já existente, que usa um painel solar
para carregar duas baterias de lítio-íon alimentando o circuito de transmissão de dados.
4
RESULTADOS
Os dados obtidos na primeira etapa da pesquisa que consiste na captação da
precipitação de chuva pelo pluviômetro foram satisfatórios. O pluviômetro é capaz de
emitir pulsos a cada 0,25 mm enviando esses dados a cada 5 mm de chuva acumulados.
O pluviômetro apresenta uma faixa de erro entre 3 a 7% sendo possível diminuir essa
porcentagem com a aquisição de um pluviômetro mais preciso.
A transmissão dos dados coletados na etapa anterior foi condizente com o
esperado sendo possível o envio via wireless por meio do módulo ESP 8266 que
reconhece os pulsos gerados pelo pluviômetro. Para o recebimento dos dados foi utilizado
o mesmo módulo de transmissão. Com um cabo específico foi feito a conversão dos
dados recebidos pelo microcontrolador em serial possibilitando a leitura dos mesmos pelo
computador e, consequentemente, pelo software.
Em relação ao software desenvolvido foi feito uma interface limpa e simplificada
contendo três abas importantes sendo a de variáveis, porta serial e o gráfico de
monitoramento. A figura 2 mostra essa página principal.
Figura 2 – Interface Inicial
A aba denominada de variáveis foi destinada para que o usuário possa digitar
todos os valores necessários para o cálculo. O calibrar representa a quantidade de água
infiltrada no maciço permitindo que o usuário seja mais ou menos conservador variando
entre 0 e 1. Caso escolha o valor 1, o mesmo está assumindo que todo o volume de
chuva infiltrou no maciço. A figura 3 mostra essa interface.
Figura 3 – Interface Variáveis
A segunda aba é referente as portas seriais, nela é possível verificar as portas
disponíveis nas quais o software pode se comunicar. É por meio delas que o programa é
capaz de receber os valores enviados pelo módulo ESP 8266 conectado ao computador.
A figura 4 mostra como ficou essa seção.
Figura 4 – Interface Porta Serial
A última aba do programa é referente ao gráfico plotado para o monitoramento em
tempo real. No eixo x tem se o tempo em minutos e no eixo y o valor do fator de
segurança calculado. O gráfico permite seja feito o monitoramento acompanhando as
variações do FS que quando menor que 1 o talude rompeu. A figura 5 mostra como ficou
essa interface.
Figura 5 – Interface Monitoramento
Na imagem acima, o gráfico mostra a variação do FS conforme o volume de chuva
aumenta. No trecho A o volume de precipitação era de 5 mm, no ponto B de 10 mm, no
ponto C de 15 mm e o no D de 20 mm.
A figura 6 mostra o gráfico anterior, porém com o ponto E que representa 30 mm
de chuva. Nesse caso simulado, o FS ficou abaixo de 1 por isso uma mensagem de alerta
é exibida na tela informando que o talude rompeu.
Figura 6 – Interface Monitoramento
5
CONSIDERAÇÕES FINAIS
O monitoramento de taludes é extremamente importante para evitar possíveis
catástrofes de cunho ambiental, social e econômico. A pesquisa em questão apresentou
ótimos resultados atingindo seu objetivo principal de criar um sistema automatizado para
monitoramento de taludes infinitos.
O objetivo do trabalho foi alcançado, o pluviômetro utilizado funcionou
perfeitamente para a ideia proposta não sendo necessário nenhuma adaptação. O
sistema de conexão via wireless conseguiu se comunicar com eficiência ao software
desenvolvido. O programa por sua vez conseguiu entregar um sistema de monitoramento
preciso e leve.
Com os resultados alcançados fica evidente a possibilidade de fazer
monitoramentos de taludes de forma simples e econômica bem como a sua importância
para a sociedade. Apesar de ser um método limitado por ter um único valor de fator de
segurança representando toda a área o sistema pode ser utilizado para o controle e se
necessário é possível fazer adaptações.
Sugere-se para novos trabalhos que sejam feitos estudos mais aprofundados da
percolação de água em taludes infinitos analisando mapas hidro geológicos das regiões e
outros métodos determinísticos afim de se aumentar a precisão e a confiabilidade do
monitoramento.
REFERÊNCIAS
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2003.
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CASTRO, V. M. de. Estudo Sobre a Estabilidade da Encosta do Morro de Sapinhatuba I,
Angra dos Reis, RJ. 2012. Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade Federal do Rio de
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GERSCOVICH, Denise. M. S. Estabilidade de Taludes. 2009. 160 f.– Notas de Aulas Faculdade de Engenharia da Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro,
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Acesso em: 10 mar. 2021.
INSTRUCTIONS FOR PREPARATION AND SUBMISSION OF WORKS TO THE
SCIENTIFIC COMMITTEE OF XLIX BRAZILIAN CONGRESS OF ENGINEERING
EDUCATION – COBENGE 2021
Abstract: The infinite slopes are structures in rock or soil that have great extension and
thickness, being used in several areas, mainly in mining and civil engineering. The rupture
of such materials can cause direct and indirect damage, in many irreversible situations.
The percolation of rainwater on embankments is one of the main triggers in instability
problems, causing the saturation of these materials, reducing their resistive forces to a
critical point, at which they break. The main objective of this research is to monitor the
effect of rain on the stability of infinite slopes. The project will initially consist of measuring
the volume of precipitation on a slope using a digital rain gauge. The captured data will be
transmitted wirelessly by a transceiver and, at a certain distance, in an office, for example,
received by another transceiver. The information received will be stored in a database for
the development of software that calculates the security factor in real time. The developed
program must be able to relate the volume of water obtained with the safety factor by
means of mathematical equations pre-established in the stability method to be studied. In
the final part of this project, the prototype of an automated system for monitoring the safety
factor of a slope is expected to function correctly, so that tragedies with material and fatal
damage can be predicted and avoided. It is hoped that further research can be done in
order to improve and adapt the prototype in several segments.
Keywords: Slope stability. Rainfall. Infinite slopes. Software.