Articulação CNT - Trilhas

ABRIL | 2019 EDIÇÃO No 3

N A T U R E Z A

Brumadinho

Brasil deve banir barragens de rejeitos a montante após desastre em Brumadinho O QUE FALAM SOBRE O ASSUNTO DESTA EDIÇÃO?

Diretor da ANM, Eduardo Leão, disse que a agência pretende lançar uma determinação na sexta-feira (8) para que essas barragens sejam eliminadas.

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Agência Nacional de Mineração (ANM) pretende banir barragens de rejeitos a montante usadas para armazenar resíduos de mineração, disse um diretor nesta quinta-feira (7), após uma dessas estruturas se romper em janeiro, deixando centenas de mortos e desaparecidos.

O diretor da agência Eduardo Leão declarou que a agência pretende lançar uma determinação na sexta-feira (8) requerendo que essas barragens sejam desmontadas ou convertidas em outros tipos de barragens.

Uma barragem de rejeitos da Vale, de uma mina de minério de ferro em Brumadinho (MG), rompeu-se em 25 de janeiro, liberando uma avalanche de lama que enterrou comunidades.

Ao menos 150 pessoas foram mortas e 182 seguem desaparecidas após o desastre, segundo dados divulgados até a tarde desta quinta [7/2/2019].

O Brasil tem 88 barragens de rejeitos a montante, segundo Leão. Não ficou imediatamente claro qual tipo de prazo os operadores teriam de encarar para desmontar ou converter as barragens.

A causa do desastre segue desconhecida. Uma autoridade de Minas Gerais declarou à Reuters na última semana que evidências sugeriam que a barragem se rompeu por conta de liquefação, um processo no qual materiais sólidos, como areia, perdem força e rigidez e se comportam como líquido.

Uma auditoria no ano passado encontrou rachaduras nos canais de drenagem e recomendou melhorias no monitoramento, de acordo com o relatório da auditoria revisado pela Reuters no início da semana.

REUTERS. Brasil deve banir barragens de rejeitos a montante após desastre em Brumadinho. G1, 7 fev. 2019. Economia. Disponível em: <https://g1.globo.com/economia/ noticia/2019/02/07/brasil-deve-banir-barragens-de-rejeitos-a-montante-apos-desastreem-brumadinho.ghtml>. Acesso em: 20 mar. 2019.

Bombeiro no cenário de destruição após o desastre em Brumadinho, Minas Gerais, 22 de fevereiro de 2019.

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CONHEÇA A OPINIÃO DE QUEM ESTUDA O ASSUNTO.

Barragens de rejeitos de mineração FELIPE GARRIDO RODRIGUES

Após a tragédia no dia 25 de janeiro de 2019, o tema mais abordado na área da engenharia tem sido a barragem de rejeitos. Muitos questionamentos foram levantados a respeito desse modelo de estrutura, não somente quanto à segurança, mas também sobre como elas são construídas e se é possível torná-las mais seguras.

As estruturas de contenção são um dos modelos estruturais mais antigos de que se tem registro. Utilizadas desde os primórdios da humanidade, têm a função – como o próprio nome pressupõe – de conter algo.

A estrutura de uma barragem ou de uma represa de água é um modelo de contenção no qual são postos em prática muitos conhecimentos da engenharia, sendo essencial considerar qual elemento essa estrutura conterá para dimensioná-la corretamente. Para que não desenvolvam problemas durante sua vida útil, barragens e represas precisam ter sua estrutura muito bem projetada, levando-se em consideração seu tamanho e as pressões que serão aplicadas sobre elas.

As barragens desse tipo podem ter alguma das seguintes funções: armazenamento de água para consumo, tratamento de esgoto ou até mesmo geração de energia, sendo o último caso um dos mais comuns no Brasil. Um dos maiores exemplos em nosso país é a represa Itaipu Binacional, uma das maiores estruturas do planeta, a qual tem dimensões impressionantes: quase 8 km de extensão (7 919 m) e 196 m de altura (o que equivale a um prédio de 65 andares).

Barragem de Itaipu.

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Mas como funciona uma barragem? Por que necessitam de tanto cuidado? De forma simples, buscaremos exemplificar quais desafios devem ser vencidos para o dimensionamento de uma estrutura como essa.

água

contenção

A principal dificuldade de execução de uma obra desse porte é justamente o elemento que se deseja conter. No caso de Itaipu, a água. É logico pensar que a água exercerá uma pressão nas paredes da estrutura, e, lembrando a terceira lei de Newton, essa ação da água na parede produz uma reação de mesma intensidade e direção, porém em sentido oposto à pressão que a parede exerce na água, como ilustra a figura ao lado.

terra

Diagrama de tensões em barragens.

A água exerce na estrutura uma força conhecida como empuxo, que é calculada utilizando o peso específico da água multiplicado pela altura da coluna de água. Quanto maior a altura da coluna de água, maior a força aplicada na estrutura; por isso, o empuxo tem formato triangular no diagrama de forças aplicadas na estrutura da barragem e cresce conforme a profundidade. Essas forças tendem a empurrar a barragem para o mesmo sentido que apontam as setas vermelhas na figura, gerando também um esforço conhecido como momento, uma força que tende a girar uma estrutura – exatamente igual a quando seguramos um lápis por uma ponta e empurramos a outra ponta com o dedo. O lápis tenderá a girar no mesmo sentido em que o empurramos, mantendo um ponto fixo onde o seguramos.

A fim de calcular o tamanho da estrutura e as características construtivas para fazer a contenção de forma adequada, fornecendo estrutura para que a barragem fique totalmente estável em relação à água, são utilizadas as informações de tensões geradas por esse líquido.

Exemplo de momento.

Os mesmos cálculos são aplicados a todos os modelos de estruturas de contenção, tanto para conter água quanto qualquer outro elemento, como solo ou lama de rejeitos de mineração – caso de Brumadinho e Mariana, por exemplo –, levando-se sempre em consideração o comportamento dinâmico desses elementos.

pedregulho

areia silte

argila

mm 0

1

2

3

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Escala das partículas de solo.

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Os conceitos mencionados são os principais para se entender como funciona uma barragem de rejeitos, como são construídas e quais os principais problemas de cada modelo de barragem.

Agora vamos entender o que é uma barragem de rejeitos, começando pelo próprio termo. Rejeito é uma espécie de lama resultante do processo de extração do minério da rocha original. Como esse processo envolve a lavagem do solo extraído, de modo a separar o minério, o resultado é uma lama densa composta de terra, pequenas rochas e água. O tipo de lama e seus compostos dependem diretamente do tipo de solo da região e do processo utilizado, mas, em geral, é composto de partículas muito finas, como as argilas e os siltes.

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Apesar de ser um material natural, o rejeito de minério é altamente poluente quando despejado de maneira imprudente em rios e oceanos, pois contamina a água com essas partículas finas, diminui o oxigênio dissolvido na água e altera do pH e a densidade. Essa contaminação leva à morte grande parte da fauna aquática, que depende do equilíbrio desses fatores.

Para evitar os impactos ambientais derivados de um processo cada vez mais crescente na indústria de mineração, uma das alternativas foi o armazenamento desse material em áreas nas quais não pudesse gerar impactos ambientais. Uma dessas alternativas é a disposição em barragens.

Como a mineração geralmente ocorre em regiões de topografia irregular, com vales ou montanhas, é difícil encontrar uma formação natural que possa, sozinha, armazenar um volume considerável de material de rejeito.

Em razão disso, é elaborado um projeto de contenção que possa se valer de algumas vantagens de determinada área para reduzir os custos envolvidos na execução dessas estruturas. Um exemplo é utilizar a encosta de uma montanha, uma vez que a própria formação geológica natural pode compor parte da estrutura. A partir disso é feita a complementação de contenção.

A lama de rejeitos, quando disposta nesses reservatórios, passa por um processo de sedimentação – separação das partículas sólidas da água. Esse processo é extremamente lento, pois as partículas de argila, quando misturadas à água, são muito leves; por isso, qualquer perturbação pode ocasionar novamente mistura dessas partículas, já sedimentadas, com a água. contenção natural

contenção artificial Contenção natural e artificial (Brumadinho).

praia de rejeitos

O processo de mineração desencadeia despejo com grande frequência, o que torna a sedimentação ainda mais demorada, podendo levar décadas para se estabilizar e, ainda assim, não ser concluído. No entanto, partículas de areia e pequenas rochas são mais pesadas e tendem a se estabilizar de forma mais rápida, criando uma espécie de praia de rejeitos nesses reservatórios.

Isso permite utilizar essa nova área sobre o rejeito para a construção de outras estruturas de contenção.

Como esse é um material não reaproveitável para as indústrias de mineração, a disposição dele é considerada custo absoluto, ou seja, não há retorno financeiro. Isso tende a fazer que, na maioria das vezes, as obras envolvendo a contenção desse material sejam as mais baratas possíveis, utilizando, por exemplo, o mesmo material do rejeito como contenção para os novos rejeitos, processo conhecido como alteamento.

Quais os tipos de barragens de rejeitos e qual o modelo utilizado nas obras de Brumadinho e Mariana? Seriam as melhores soluções entre as disponíveis?

Essa é uma pergunta que muito se fez após os rompimentos das barragens, que resultaram em grandes tragédias e colocaram em debate um assunto técnico que deve ser compreendido em profundidade para buscar a melhoria constante das técnicas construtivas em todas as áreas da engenharia nacional e, assim, preservar vidas.

Praia de rejeitos (Brumadinho).

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Tipos de barragens de rejeitos Todas as barragens devem ter fundação, drenagem e dique de partida.

A fundação é uma camada de terra e rocha compactada, que forma a sustentação de todas as cargas que serão recebidas. Por isso, deve ser projetada e executada de maneira a suportar todo o peso sem que haja deformação excessiva, o que causaria abalos em todo o sistema.

Junto à fundação é construído um sistema de drenagem, conhecido como tapete drenante, que tem a função de direcionar toda a água excedente da lama para dutos de saída, de modo que essa água não infiltre na estrutura e gere problemas ao longo do tempo.

O dique de partida é a primeira estrutura de contenção. Ele pode ser construído com rochas ou terra compactada, ou até mesmo com o próprio rejeito de mineração; isso vai depender da disponibilidade desses materiais próximos ao local da obra.

As barragens de rejeitos podem ser divididas em três modelos principais: alteamento a montante, alteamento a jusante e alteamento de linha central.

A barragem com alteamento a montante é o modelo mais comum entre os três tipos. Apresenta uma configuração de alteamentos como estruturas independentes entre si, que se apoiam sobre os rejeitos de forma que um amontoado de rejeito, já em estado sólido, faça a contenção do novo rejeito.

Barragem de alteamento a montante.

As barragens de alteamento a montante, apesar de serem o modelo mais utilizado, não são seguras, pois são formadas por alteamentos individuais, o que torna sua estrutura frágil. Como já mencionado, as estruturas de contenção devem oferecer a mesma resistência às tensões às quais são submetidas, garantindo segurança a todo o sistema. Nesse caso em específico, há alguns problemas com a disposição dos alteamentos, o que facilita os problemas de deslizamento horizontal, drenagem, infiltração, recalque e deformações. Mas por que esse modelo é tão utilizado?

praia Praia Praia Praia alteamento Alteamento Alteamento Alteamento

O que leva à adoção desse modelo é principalmente o custo: como é feito com o próprio rejeito sobre mais camadas de rejeito, exige pouco trabalho para execução e tem custo muito inferior se comparado aos outros modelos, sem se considerar o tempo de execução, que é menor. alteamento Alteamento

rejeito

Alteamento

Rejeito

Alteamento

Rejeito

alteamento

Rejeito

Alteamento Alteamento Alteamento dique Dique

fundação

tapete drenanteDique Dique

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praia

rejeito

dique fundação

tapete drenante

Barragem de alteamento a jusante.

O modelo de barragem de alteamento a jusante é o mais seguro entre os três e também pode ser executado com os rejeitos, porém sua configuração tem uma geometria que oferece maior estabilidade. Seguindo os princípios das pirâmides egípcias, que são as estruturas mais antigas existentes até a atualidade, a alteamento alteamento alteamento alteamento configuração desse tipo de barragem tem um formato triangular, com uma base que cresce a cada novo alteamento executado; além disso, há uma proporção entre base e altura muito mais harmônica e estável, pois os alteamentos são construídos sobre outros alteamentos, havendo uma ligação direta entre as interfaces de cada nova estrutura, o que aumenta significativamente sua segurança e sua capacidade de carga.

Além da incontestável maior estabilidade, esse modelo elimina praticamente todos os problemas levantados quanto ao método a montante: não sofre deslizamento horizontal, uma vez que tem uma área de contato muito maior; falhas pontuais não geram efeito dominó, pois é uma única estrutura sólida; a drenagem é feita através de um sistema único, que recebe toda a atenção das equipes de manutenção, tornando muito mais efetivas as buscas por falhas e infiltrações.

Contudo, o ponto negativo desse modelo diz respeito sobretudo ao alto custo, que não agrada as empresas. Por ser uma estrutura que cresce exponencialmente a cada novo alteamento, os gastos envolvidos para a execução desse método são relativamente mais altos quando comparados aos demais métodos, principalmente com o alteamento a montante, demandando um investimento cada vez maior a cada novo alteamento.

Além disso, o prazo de execução é longo e exige maior área de implantação, o que, muitas vezes, pode não ser um problema, mas pode ser considerado como tal durante a escolha entres os métodos.

A barragem de alteamento de linha central é uma técnica que mistura as duas barragens detalhadas anteriormente: os alteamentos são executados sobre as camadas de rejeitos; em contrapartida, adota-se o crescimento proporcional da base e da altura dos alteamentos, o que proporciona ligação entre as estruturas e elimina grande parte dos problemas do modelo a montante.

Barragem de alteamento de linha central.

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Apesar de não ter estabilidade tão acentuada quanto o modelo a jusante, o alteamento de linha central é significativamente mais estável que o modelo a montante, além de ser um pouco mais barato que o modelo a jusante, com tempo de execução similar. É uma excelente opção para esse tipo de contenção, uma vez que concentra quase todas as boas características do melhor modelo e elimina os principais problemas do pior. Esse método também é composto de um sistema único de drenagem, localizado no que é chamado de linha central; porém, por ser executado em parte sobre camada de rejeitos, que podem não estar totalmente estáveis, podem ocorrer alguns problemas de recalques e deformação, conforme o rejeito que serve de base se estabiliza (mas essa deformação é menor do que no caso do modelo a montante). to

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Como acontecimentos com os de Brumadinho e Mariana poderiam ser evitados?

Tragédias como as que ocorreram em Mariana e Brumadinho são indesejáveis em qualquer sociedade e devem ser evitadas a todo custo. Os problemas nas estruturas devem ser mitigados, assim como as soluções devem ser buscadas e previstas antes dos acontecimentos. Apesar de o modelo de barragem a montante ser o mais instável, isso não significa que não possa ser seguro. Pode parecer difícil de entender depois dos eventos trágicos, mas essa estrutura pode ser construída e monitorada de maneira a proporcionar toda a segurança necessária. Entretanto, isso demanda mais trabalho, não somente das empresas mantenedoras, mas também dos órgãos fiscalizadores, que devem ser mais exigentes e concentrar seu efetivo para casos de maior impacto ambiental e humano.

O controle dessa estrutura deve ser modernizado por meio da instalação de equipamentos computadorizados que independam de ações humanas para a coleta de dados, como os piezômetros digitais. Esses dispositivos são responsáveis por analisar as pressões internas dos líquidos presentes no solo e avaliar, por exemplo, a estabilidade particular do solo, considerando a saturação e o nível de água. Na maioria das estruturas hoje existentes, esses equipamentos são analógicos e dependem da periodicidade da coleta de dados, que é feita manualmente por um técnico. Isso pode gerar defasagem dos dados, tornando, muitas vezes, curto o tempo de ação para remediar problemas na barragem ou até mesmo impossibilitando a ação. Esse problema não ocorre com equipamentos automáticos, que fazem a coleta de dados em tempo real e permitem a identificação de problemas de maneira rápida e eficaz.

Além das questões técnicas, são necessários sistemas de emergência, como sirenes de acionamento automático – e não manual, como no caso de Brumadinho –, as quais devem ser posicionadas em pontos estratégicos que a lama não atingirá em caso de rompimento. Também é fundamental o treinamento dos funcionários e cidadãos próximos, visando minimizar ao máximo a perda de vidas.

Felipe Garrido Rodrigues é bacharel em Engenharia Civil

pela Faculdade de Engenharia de Sorocaba, pós-graduado em estruturas para construção civil pela Unicamp e mestrando em geotecnia direcionada a estruturas de contenção (barragens) e fundações de grandes estruturas pela Unesp. Tem experiência na área de projetos de estruturas de médio e grande porte em concreto armado e obras de terra. Professor universitário das disciplinas de estruturas e fundações, é também criador do Canal da Engenharia no YouTube.

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HORA DE ARTICULAR SUAS IDEIAS

1. A maioria das barragens de rejeitos brasileiras são do tipo alteamento a montante. Vários fatores levam à construção desse tipo de barragem, como custo e tempo de execução da obra. No dia 29 de janeiro de 2019, o então presidente da Vale S.A., Fabio Schvartsman, disse em uma entrevista que a empresa iria eliminar o tipo de barragem de alteamento a montante. Investigue quais as possíveis atuações que empresas de mineração podem tomar para, utilizando a estrutura existente, buscar adaptar as barragens para outros modelos. Lembre-se de que o custo e o tempo de execução devem ser levados em consideração.

2. Os piezômetros têm um limite de medição. Pesquise qual é esse limite e qual aparelho deve ser usado para pressões acima do seu limite.

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Tipos de rompimentos de barragem Vamos ver quais tipos de rompimento podem ocorrer em uma barragem de rejeito.

Deslizamento horizontal dos alteamentos: Como os alteamentos são executados sobre camadas de rejeitos, apesar de ser feito um trabalho de compactação, a ligação entre a superfície de apoio e a estrutura de contenção (alteamento) é extremamente frágil. Quando ocorre infiltração, ainda que mínima, ela pode criar uma lâmina de separação entre as duas superfícies e causar o escorregamento de toda a estrutura em razão do empuxo gerado pela lama interna ao reservatório.

Recalque e deformações: Como os alteamentos são executados sobre camadas de rejeitos, que podem não estar totalmente estáveis, o peso dos novos rejeitos, ou até mesmo dos alteamentos, podem ocasionar uma deformação conhecida como recalque, em que há um afundamento das camadas que servem de apoio, criando pontos de instabilidade ou problemas em sistemas auxiliares, como os de drenagem.

Problemas de drenagem: As estruturas individuais exigem que os sistemas de drenagem também sejam individuais, necessitando, portanto, cuidado muito maior para a sua execução e, consequentemente, mais manutenção e maior probabilidade de falhas em um dos sistemas mais importantes desse tipo de estrutura.

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Infiltração: Como resultado das falhas nos sistemas de drenagem, a infiltração da água no solo compactado da estrutura acontece com maior intensidade, exigindo maior controle tecnológico dessas estruturas através de aparelhos conhecidos como piezômetros, que medem a saturação do solo e sua estabilidade. O solo, ou rejeito, que compõe a estrutura, quando sofre infiltração, pode se tornar instável, visto que a água faz que haja separação das partículas, agindo como uma espécie de lubrificante, ou seja, antes o que era um solo compacto, quando infiltrado, possibilita o aumento do espaço entre as partículas que o formam, perdendo sua função estrutural por não haver mais atrito (contato) entre suas partículas formadoras.

SUGESTÕES DE RESPOSTAS DO EDITORIAL

Conteúdos abordados: • Terceira lei de Newton; • Empuxo; • Força.

1. Uma possível adaptação seria a construção de barragens de alteamento de linha central, além do investimento na modernização de equipamentos de monitoramento de pressões externas. Essas medidas podem ser o caminho mais rápido e de menor custo para diminuir os riscos de rompimento das barragens.

2. Para colunas com mais de 10 metros de altura, a medição por piezômetro fica prejudicada; nesses casos, deve ser utilizado o manômetro.

O Articulação Natureza tem como objetivo discutir temas relevantes com base nas Ciências da Natureza e suas Tecnologias. No entanto, embora o conteúdo dessa área do conhecimento seja utilizado para analisar os temas selecionados, ele não se configura como pré-requisito para o uso dessa ferramenta pedagógica em sala de aula. O Articulação Natureza visa estimular a alfabetização científica, permitindo aos estudantes que compreendam o que está além do que é noticiado, despertando, assim, o gosto pela ciência e pela aquisição de novos conhecimentos.

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ABRIL | 2019 EDIÇÃO No 3

N A T U R E Z A

Diretor de conteúdo e negócios Ricardo Tavares de Oliveira Diretor editorial adjunto Cayube Galas Gerente editorial Júlio César D. da Silva Ibrahim Editora Aloana Oliveira Publio Editores assistentes Ana Carolina Bezerra da Silva Alterson Luiz Cação Samuel Quinaud Rossi Coordenador de produção editorial Marcelo Henrique Ferreira Fontes

Coordenadora de preparação e revisão Lilian Semenichin Supervisora de preparação e revisão Adriana Soares Preparadora Luciana Baraldi Revisora Cibely Aguiar de Souza Sala Supervisora de iconografia e licenciamento de textos Elaine Bueno Pesquisa Ana Paula de Jesus Coordenadora de ilustrações e cartografia Marcia Berne Gerente de arte Ricardo Borges Coordenadora de arte Daniela Máximo Supervisor de arte Fabiano dos Santos Mariano Projeto gráfico Bruno Attilli Editora de arte Adriana Maria Nery de Souza

Créditos das imagens: p.1. Lincon Zarbietti/picture alliance/Getty Images, p.2. DOUGLAS MAGNO/AFP, p.3. Ernesto Reghran/Pulsar Imagens, p.4. Selma Caparroz, p.5. Google Maps/Google Earth, p.6. Selma Caparroz, p.7. Selma Caparroz, p.8. Felipe Garrido Rodrigues, p.10. Rodrigo Figueiredo/yancom

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