Universidade Federal de Minas Gerais Escola de Engenharia Disciplina: Introdução á Engenharia Civil Prof.(a): Heloísa Maria Barbosa
História da Geotecnia Alunos: Anderson Gomes da Silva Carolina Fernanda Gurgel Gabriela Silveira Virgili Giovanni Augusto Barcelos Magalhães Gizelle Karina Caires Pinheiro
Belo Horizonte, 14 de Outubro de 2009
HISTÓRIA DA GEOTECNIA NA ENGENHARIA CIVIL
DEFINIÇÃO Engenharia geotécnica é a subdivisão da engenharia civil que envolve os materiais naturais encontrados próximo à superfície da terra. Ela inclui a aplicação dos princípios da mecânica dos solos e da mecânica das rochas ao projeto de fundações, estruturas de contenção e estruturas de terra. Não seria de fato uma única ciência, mas sim a mistura de três outras: •
Geologia de Engenharia: ramo das ciências geológicas que se dedica aos problemas e aplicações de conceitos geológicos no âmbito da engenharia
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Mecânica dos Solos: disciplina da Engenharia Civil que procura prever o comportamento de maciços terrosos quando sujeitos a solicitações provocadas, por exemplo, por obras de engenharia.
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Mecânica das Rochas: ciência teórica e aplicada do comportamento mecânico das rochas e maciços rochosos, faz parte do campo mais vasto que é a geomecânica, que se ocupa das respostas mecânicas de todos os materiais geológicos, incluindo os solos. Esta ciência lida com a interferência de obras de infra-estrutura de qualquer natureza com a sua
fundação seja ela em solo ou rocha. O Engenheiro Geotécnico atua em projetos de escavação, túneis, compactação de aterros, tratamentos de fundações, instrumentação de obras, percolação de fluxos em solos e rochas, contenções entre outros. A geotecnia também está ligada à terramecânica, à petrologia e a todos os ramos da geologia de uma forma geral.
GEOTÉCNIA ANTES DO SÉCULO XX A presença da utilização do solo como material de construção e sua importância vêm desde a Antigüidade. Mas, em termos técnicos, o estudo e o conhecimento da engenharia geotécnica tal qual é conhecida hoje começou a partir do século XVIII. Durante anos, a arte da engenharia geotécnica teve como base apenas uma sucessão de experimentos sem nenhum caráter científico verdadeiro. De acordo com esses experimentos, foram construídas muitas estruturas que caracterizaram a arquitetura antiga. A partir do início do século XVIII, depois de encontrar vários problemas relacionados à fundação durante as construções nos séculos passados, engenheiros e cientistas começaram a tratar propriedades e comportamentos dos solos de forma mais metódica. A maior parte do desenvolvimento na área de engenharia geotécnica antes do séc. XX veio de engenheiros e cientistas da França, país que foi sede a primeira escola de engelharia, a École de Ponts et Chaussées fundada em 1747. Neste período concentraram-se estudos relativos a encostas naturais e a pesos específicos de vários tipos de solos, bem como teorias semi-empíricas de empuxos de terra. Em 1717, um engenheiro real francês, Henri Gautier (1660-1737), estudou taludes naturais de solos quando formulou os procedimentos de projeto de muros de arrimo. Em 1729, Bernard Forest de Belidor (1671-1761) publicou um livro-texto para engenheiros militares e civis na França. No livro, ele propôs uma teoria para pressão lateral de terra em muros de arrimo e também especificou um sistema de classificação dos solos. Em 1776 o famoso cientista francês Charles Augustin Coulomb (1736-1806) apresenta um artigo técnico no qual usou os princípios de cálculo de máximos e mínimos para determinar a posição exata da superfície de deslizamento no solo por trás de um muro de arrimo. Nessa análise, Coulomb usou as leis do atrito e da coesão para corpos sólidos. Em 1857 William John Macquorn Rankine (1820-1872), um professor de engenharia civil na University of Glasgow, publica seu estudo no qual fornece uma teoria notável sobre o empuxo de terra e o equilíbrio de massas de terra. A teoria de Rankine é uma simplificação da teoria de Coulomb. Até aqui praticamente todas as considerações teóricas usadas no cálculo da pressão lateral de terra em muros de arrimo tiveram como base uma superfície de ruptura no solo arbitrariamente definida. A publicação de Erdbaumechanik auf Bodenphysikalisher Grundlage, de Karl Terzaghi, em 1925, fez surgir uma nova era no desenvolvimento da mecânica dos solos. Karl Terzaghi é merecidamente conhecido como o pai da mecânica dos solos moderna.
Em 1925, fez-se surgir uma nova era no desenvolvimento da mecânica dos solos com a publicação de Erdbaumechanik auf Bodenphysikalisher Grundlage, de Karl Terzaghi. Karl Terzaghi é considerado o pai da mecânica dos solos moderna. Depois de formado como engenheiro mecânico, Terzaghi acabou de interessando por assuntos geológicos. Ele recebeu, em janeiro de 1912, na sua instituição de formação original, em Graz, o grau de Doutor em Ciências Técnicas. Em 1916, tornouse professor na Imperial School of Engineers, em Istambul. Após o fim da Primeira Guerra Mundial, trabalhou como pesquisador no American Robert College, em Istambul (1918-1925). Lá começou a pesquisar sobre o comportamento dos solos e recalque de argilas e sobre a ruptura devida ao piping em areia sob barragens. A publicação de Erdbaumechanik é o resultado principal dessa pesquisa.
CONTRIBUIÇÕES DE TERZAGHI Com o objetivo de definir e introduzir uma nova ciência da engenharia, Terzaghi, dotado de um vasto conhecimento de engenharia e geologia, conseguiu dar bases científicas ao acervo empírico de geotecnia que já existia. Como conseqüência disso, o livro Erdbaumechanik, que causou furor na Europa e nos Estados Unidos, transformou Terzaghi numa autoridade muito requisitada. Em 1925, Terzaghi aceitou o cargo de pesquisador visitante no Massachusetts Institute of Technology, onde trabalhou até 1929. Lá ele ministrou o primeiro curso de mecânica dos solos da América. E foi nesse mesmo local que aconteceu o primeiro contato brasileiro com a mecânica dos solos. Alberto Ortenblad, matemático brasileiro, que fazia sua pós-graduação em Massachusetts, foi ouvinte das aulas do especialista europeu. Ele descobriu pequenos erros nos cálculos de Terzaghi e ousadamente criou sua “Teoria matemática do processo de adensamento de depósitos do Iodo” na qual utiliza a equação diferencial de adensamento desenvolvida pelo pai da mecânica dos solos. Este trabalho brasileiro, que teve alcance internacional, é um dos primeiros símbolos da ligação que existiria entre a engenharia civil brasileira com essa nova tecnologia. Ele assimila o conhecimento clássico de origem européia e americana, mas vai além, com abordagens próprias baseadas nas peculiaridades dos solos típicos do Brasil, o que não era de conhecimento dos grandes pioneiros internacionais. Em outubro de 1929, Terzaghi retorna à Europa para assumir o cargo de professor na Technical University de Viena, que logo se tornou o centro para engenheiros civis interessados em mecânica dos solos. Em 1938, retornou aos Estados Unidos para lecionar na Universidade de Harvard. Antes do final da guerra, ele foi consultado sobre o sistema de metrô de Chicago, a construção de
carreiras, o aumento da Normandia, entre outros. Ele se tornou um cidadão americano em março de 1943. Sob a presidência de Karl Terzaghi , foi realizada, na Universidade de Harvard, a primeira conferência da International Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering (ISSMFE – Sociedade Internacional de Mecânica dos Solos e Engenharia de Fundações). Ele permaneceu como um trabalhador a tempo parcial na Universidade de Harvard, até sua aposentadoria em 1953, com a idade obrigatória de 70 anos. Em julho do ano seguinte, ele se tornou o presidente do Conselho Consultivo para a construção da barragem de Assuã. Demitiu-se deste posto em 1959, após entrar em conflito com os engenheiros russos encarregado do projeto, mas continuou a ser consultado em vários projetos hidrelétricos, especialmente na Columbia Britânica. Ele morreu em 1963.
INÍCIO DA ENGENHARIA GEOTÉCNICA NO BRASIL A engenharia geotécnica brasileira é parte integrante da engelharia civil assim é interessante conhecer um pouco da historia desta e onde se dá inicio ao estudo e trabalho com a geotecnia. No Brasil, a Engenharia deu seus primeiros passos, de forma sistemática, ainda no período colonial, com a construção de fortificações e igrejas. Logo em 1549, com a decretação do Governo Geral, o engenheiro civil Luiz Dias foi incumbido pelo "governador das terras do Brasil", Tomé de Souza, de levantar os muros da cidade de Salvador (BA), a capital. Dias acabou construindo também o edifício da alfândega e o sobrado de pedra-e-cal da Casa da Câmara e Cadeia, que se tornou célebre como o primeiro do gênero na colônia. Mas a criação de uma escola de Engenharia Civil brasileira só se daria 258 anos depois, com a chegada da Família Real ao país, em 1808, e a conseqüente fundação da Real Academia Militar do Rio de Janeiro. Em 1842, a academia foi transformada em Escola Central de Engenharia e, 32 anos depois, convertida em curso exclusivo de Engenharia Civil. Essa instituição é, hoje, a Escola Nacional de Engenharia. Depois vieram os cursos de engenharia civil da Escola de Minas de Ouro Preto, a primeira escola de estudos mineralógicos, geológicos e metalúrgicos do Brasil, inaugurada em 12 de outubro de 1876, pelo cientista francês Claude Henri Gorceix a pedido do então imperador Dom Pedro II. Dentre seus alunos ilustres se destacam Carlos Chagas, Getúlio Vargas e Pandiá Calógeras. Em 1969 ela se uniria à Escola de Farmácia de Ouro Preto instituindo a Universidade Federal de Ouro Preto. Também merece destaque a Escola Politécnica de São Paulo, inaugurada em 1894, a qual seria importante foco de desenvolvimento da geotecnia, pois nela é pioneiramente criado, em 1899, o Gabinete de Resistência dos Materiais, o qual em 1924 foi
transformado no Laboratório de Ensaios de Materiais e futuramente, após o surgimento da Universidade de São Paulo em Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT). Em 1930 na Politécnica do Rio de Janeiro Victor Ribeiro Leuzinger defendeu a primeira livredocência em mecânica dos solos. Em 1934 o curso regular de Pontes e Grandes Estruturas, conduzido por Mário Whateley na Politécnica de São Paulo passaria a introduzir elementos de mecânica dos solos e fundações. Nasceria assim uma linha de pesquisas para atender às necessidades crescentes de solução de problemas de engenharia nas fundações de edifícios altos e na construção de rodovias modernas. Nesse período temos como destaque na geotécnica brasileira o jovem engenheiro Odair Grillo que é convidado a integrar e desenvolver a Seção de Estruturas e Fundações do IPT, que está sendo criada. Grillo escreve para laboratório e universidades alemã e americanas, solicitando cópias de projetos de máquinas e de ensaio de solos, dados sobre novos amostradores e informações sobre resultados de pesquisas e é convidado a fazer um curso de pós-graduação nos EUA, e em seguida realiza estágios pela Europa. Quando retorna ao Brasil no final de 1938, assume a chefia Seção de Solos e Fundação do IPT, a qual conta com tecnologia e com uma promissora equipe de jovens profissionais que consolidará o setor na década seguinte. Quando se aproximava da década de 40 o Brasil começava a ganhar outro papel no cenário internacional, o país passou a ser visto como uma potencia industrial. Inúmeros desafios estimulam o desenvolvimento da geotecnia. Em 1939, a unidade tecnológica dirigida por Grillo realizou 11 provas de carga no aeroporto Santos Dumont, no Rio de Janeiro. Nesse mesmo ano o engenheiro Mário Brandi Pereira monta o segundo laboratório de solos do Brasil, que depois se tornou a Escola Nacional de Engenharia. Tratava-se de uma iniciativa que antecipava outro setor em que a mecânica dos solos teria sucesso inquestionável: a construção de barragem de terra. De 1942 em diante, o IPT prestou assistência tecnológica ao projeto e à execução de aeroportos que se construíam pelo país afora. Nessa época esta ocorrendo uma significativa ação governamental contra a seca no Nordeste. A Inspetoria Federal de Obras Contra as Secas estabelece um amplo programa para construir 25 açudes públicos, integrados a quatro grandes sistemas de irrigação e respectivas vias de intercomunicação. Em 1943, na capital federal, Mário Brandi Pereira, vindo de sua experiência no IPT e em Curema, inicia junto com Alberto Eugênio Pastor de Oliveira as pesquisas geotécnicas do instituto Nacional de Tecnologia, através da Divisão da Indústria da Construção. Outros pioneiros organizam seções de solos em vários órgãos públicos estaduais, quase sempre ligados à unidade responsável pela construção e manutenção de rodovias. Forma-se assim, o arsenal tecnológico que dará à mecânica dos solos seu grande impulso nacional dos anos seguintes. Nos anos 40, à construção de imponentes arranha-céus, no Rio e em São Paulo oferecem uma chance de ouro para o novo segmento de atuação da geotecnia. Santos não fica atrás e propõe à engenharia o
problema de construir edifícios residenciais precisamente na orla da praia, com seus terrenos de argila mole. Enquanto a Segunda Guerra Mundial destrói parques industriais nas zonas de combate, o Brasil começa a consolidar sua indústria química, expandir sua engenharia civil, criar uma malha rodoviária moderna, instalar um sistema hidrelétrico considerável e ampliar seu parque siderúrgico E nesse contexto que desponta mais um caso memorável de pioneirismo: a parte de mecânica dos solos na construção do complexo industrial da Companhia Siderúrgica Nacional (CSN), em Volta Redonda No Brasil, os anos de 50 são a década de consolidação de nossa indústria. O desenvolvimento da infra-estrutura básica necessária, o qual tivera inicio no final da década de 30, ganha notável velocidade no segundo governo de Vargas e, sobretudo, no governo Kubitshek, a partir de 1956. Em 21 de julho de 1950 foi fundada a ABMS (Associação Brasileira de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica), uma associação técnico-científica sem fins lucrativos, que atualmente é representante oficial do Brasil nas sociedades geotécnicas internacionais: ISSMGE ( International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering ), Mechanics)
ISRM ( International Society for Rock
e I T A ( International Tunnelling Association). A ABMS congrega no Brasil os
profissionais geotécnicos que atuam em Mecânica dos Solos, Mecânica de Rochas, Mecânica dos Pavimentos, Fundações, Barragens, Escavações, Túneis, Mineração, Geossintéticos, Geotecnia Ambiental, Aterros Sanitários, Geomecânica do Petróleo, e demais atividades da Engenharia Geotécnica. Após a criação da ABMS, a presença de seus engenheiros nas grandes obras que envolviam a geotecnia pôde ser notada. Houve uma contribuição considerável na construção de barragens de terra, visto que entre 1950 e 1980, projetou-se e construiu-se no país mais de 150 delas. Dentre essas, em 1956, uma construção notável devido à complexidade das obras e à engenhosidade das respostas ao desafio tecnológico que representava sua construção foi à usina de Três Marias, no São Francisco, em Minas Gerais. Iniciada em maio de 1957, a grande obra foi concluída em janeiro de 1961, representando um verdadeiro recorde mundial de construção desta natureza. A Barragem tem 2.700 metros extensão com base de 600 metros, altura de 75 metros e sua usina gera 396.000 KW. O Lago, tem 21 bilhões de metros cúbicos de água, 1.040 quilômetros quadrados de superfície, e banha oito municípios. A construção da barragem de Três Marias ocorreu junto a diversas grandes obras no Brasil no período de governo do presidente Juscelino Kubitschek (1956-1961), que propôs um Plano de Metas (com o famoso slogan "50 anos em 5"), visando acelerar o desenvolvimento do país investindo na construção de rodovias transregionais, como a rodovia Belém-Brasília e a rodovia Régis Bittencourt, na construção de hidrelétricas e fazendo crescer a extração de petróleo no país, além da construção de Brasília, a nova capital do Brasil.
Nos anos 60 e 70, ocorreu a entrada do país na era do metrô. A construção do metrô paulistano e carioca envolveu o uso do sistema cut-and-covere também do shield, novas tecnologias ainda não utilizadas no país. O país crescia e necessitava de energia para seu desenvolvimento. A geotecnia observou os novos rumos e, juntando a prática e a teoria até então acumuladas, dedicou-se a enfrentar os novos desafios, muitas vezes com originalidade. No final da década de 70 e início da década de 80, a Petrobrás apresenta à geotecnia inúmeros desafios nos campos marítimos de produção de petróleo. Naquela época, havia projeto de instalação de inúmeras plataformas ao longo da costa brasileira, localizadas tanto em águas rasas, no norte-nordeste do país, como em águas profundas, na bacia de Campos. Francis Bogossian desenvolveu um sino de mergulho para realização de sondagens submersas. O inusitado equipamento foi testado com sucesso para lâminas de água de até cinqüenta metros. O campo de Curimã, no litoral do Ceará, foi palco em 1981 da primeira instrumentação dinâmica de cravação de estacas Offshore conduzida pelo IPT. Era um caso típico de absorção da tecnologia estrangeira para posterior uso em outras dezenas de plataformas fixas offshore, contribuindo para o controle de execução daquelas estacas, bem como para incrementar o conhecimento das características geotécnicas dos solos marinhos brasileiros. A partir de 1983, essa técnica, que permite avaliar a capacidade de carga de estacas e veio a ser aceita como alternativa às tradicionais provas de carga, disseminou-se em obras de fundações terrestres. Há uma década, os Programas de Capacitação em Águas Profundas da Petrobrás atingiam os mil metros. Depois foram aos 2 mil metros e, atualmente, chegam aos 3 mil metros de lâmina de água. Com isso, novos desafios se colocam ao conhecimento geotécnico desses solos marinhos.
GEOTECNIA NA UFMG
A UFMG se apresenta no ensino da engenharia geotécnica através do Departamento de Engenharia de Transportes e Geotecnia (DETG), composto por seis professores que na docência e pesquisa. O departamento oferece sete disciplinas para capacitação dos alunos do curso de graduação em Engenharia Civil:
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Mecânica dos Solos 1
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Mecânica dos Solos 2
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Fundações e Estruturas de Contenção
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Geotecnia Ambiental
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Ensaios de Laboratório e de Campo em Geotecnia
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Obras de Terra e Entroncamento
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Geologia de Engenharia e Mecânica de Rochas Os docentes da Área de Geotecnia vêm participando do Programa de Pós-Graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da Escola de Engenharia. Neste período estão sendo oferecidas as disciplinas listadas abaixo.
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Geotecnia Aplicada à Disposição de Resíduos Sólidos Urbanos
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Remediação e Recuperação de Áreas Degradadas
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Geotecnia Aplicada à Disposição de Rejeitos de Mineração
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Melhoria de Solos e Geossintéticos
PROJETOS DE EXTENSÃO EM DESENVOLVIMENTO NO ETG
Vários projetos de extensão estão em andamento no departamento, listamos abaixo alguns deles com uma breve descrição: Efeitos da Alternância de Épocas de Seca e Chuva na Estabilidade das Encostas de Belo Horizonte: Influência de Ciclos de Secagem e Umidecimento na Resistência de Solos Residuais Descrição: Determinar parâmetros geotécnicos em solos de Belo Horizonte, por meio de ensaios
laboratoriais, para analisar os efeitos da alternância de seca e chuva na estabilidade das encostas.
Estudo do Comportamento dos Solos das Encostas do Trecho de Vazão Reduzida - Capim Branco I: Obtenção das Curvas de Retenção de Água e Parâmetros de Laboratório para Análise de Estabilidade e Erosão. Descrição: Determinar o potencial de erodibilidade e de instabilização dos solos característicos
das margens e encostas do Trecho de Vazão Reduzida do Aproveitamento Hidroelétrico de Capim Branco. Estudo de Solos para Adequar o Uso do Antipó e de Tratamento Superficial em Rodovias de Baixo Volume de Tráfego. Descrição: Levantamento de pavimentos já executados com a técnica do antipó, na região de
Minas Gerais. Caracterização geotécnica de solos da região para avaliar a utilização do antipó. Pavimenta: Diagnóstico da pavimentação de rodovias secundárias e levantamento de soluções regionais de baixo custo. Descrição: Indicar soluções regionais de baixo custo, para disseminação de novas alternativas
de pavimentação, visando à redução de custos de transporte e integração espacial e social, a partir do diagnóstico de pavimentação de rodovias secundárias. Projeto Samarco - Estudo do aproveitamento dos rejeitos da Samarco na construção civil e como material alternativo em obras geotécnicas. Descrição: Fomentar a incorporação científica e tecnológica, unindo o setor de mineração com
o parque industrial da construção civil (incluindo obras geotécnicas) por meio de pesquisa do uso de materiais atualmente descartados, denominados rejeitos, como materiais alternativos, na possível geração de produtos a serem utilizados principalmente por populações de baixa renda. Paralelamente haverá uma diminuição de um passivo ambiental, inclusive poderão ser gerados novos empregos para a comunidade.
CONCLUSÃO
Como vimos o ramo da geotecnia é muito novo dentro da engenharia civil. Teve um período de grande desenvolvimento com descobertas e avanços brilhantes durante o século passado onde sua presença foi marcante em praticamente todas as grandes obras da engenharia nacional e mundial. No Brasil, especialmente houve um desenvolvimento acelerado na ciência e na prática dessa área devido à urbanização e à modernização acelerada e constante da nossa sociedade desde a década de 30. Atualmente, a geotecnia vive um período mais ameno, mesmo estando presente em qualquer atividade dentro da engenharia civil, o engenheiro geotécnico tem se aproximado mais da geologia e da engenharia Ambiental devido ao grande crescimento e dessas áreas.
BIBLIOGRAFIA
DAS, Braja M. Fundamentos de engenharia geotécnica. São Paulo: Thomson, 2007. 561 p. ISBN FONSECA, Paulo C. M. Análise dos instrumentos EIA e RIVI na gestão do espaço urbano: subbacia do ribeirão mestre d’armas. Brasília, 2007. 165f. Dissertação (Mestrado em Geografia) -
Departamento de Geografia da Universidade de Brasília. NIYAMA, S. (Org.). ABMS Cinqüenta Anos de Geotecnia. São Paulo: DBA, 2000. 151 p. UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS. Departamento de Transportes e Geotecnia. Disponível em . Acesso em: 28 setembro 2009 UNIVERSIDADE PRESBITERIANA MACKENZIE. Assessoria de imprensa. Disponível em: . Acesso em: 28 setembro 2009. VARGAS, Milton. História da Ciência e da Tecnologia no Brasil: uma súmula. São Paulo, Ed. Humanitas - FFCLH/USP, Centro Interunidade de História da Ciência, 2002, 146 p. WIKIPÉDIA. Engenharia Geotécnica. Site de busca. Disponível em: . Acesso em: 21 setembro 2009.