Mecânica das rochas MECÂNICA DAS ROCHAS Aula 6: Introdução à Mecânica das Rochas AULA 6: INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS Mecânica das rochas Temas desta aula Unidade 2: Introdução à Mecânica das Rochas Histórico Campos de aplicação da Mecânica de Rochas AULA 6: INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS Mecânica das rochas Histórico de projetos de engenharia em rocha Desde a Pré-História, as rochas e os maciços rochosos vêm sendo usados para fabricação de ferramentas, casas, fortificações, túneis, cavernas e outros fins. A história da exploração de rochas para fins estruturais e ornamentais remonta a pelo menos 4.500 anos, através dos mesopotâmios e egípcios, que utilizavam principalmente rochas calcárias e graníticas para a construção de pirâmides, monumentos e obras artísticas. O conhecimento da Mecânica das Rochas foi essencial para o correto aproveitamento desse recurso em grandes obras, algumas das quais ainda em uso desde a Antiguidade. AULA 6: INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS Mecânica das rochas Granito As pirâmides do Egito eram construídas com rochas calcárias. Os blocos pesavam em média 2,5 toneladas, cortados nas pedreiras, lixados e catalogados, transportados até o local. Por volta de 2,3 milhões de blocos foram usados na pirâmide de Quéops. Partes dos blocos apresentam o que pode ter sido um concreto primitivo – o que desbancaria o pioneirismo romano. AULA 6: INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS Mecânica das rochas Histórico de projetos de engenharia em rochas Desde a Antiguidade, as rochas eram utilizadas não apenas em estado bruto como matéria-prima, mas também transformadas em argamassa e concreto. O domo do Panteão, em Roma (126 d.C.), é ainda hoje a maior cúpula de concreto não reforçado do mundo. Os caixotões, o óculo, o afinamento do domo em direção ao centro, com uso progressivo de pedra-pomes, são soluções geniais que diminuem o peso e as tensões às fundações, possibilitando suas dimensões. AULA 6: INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS Mecânica das rochas Histórico de projetos de engenharia em rochas Na Idade Média, as rochas foram utilizados vastamente, estrutural e ornamentalmente, em casas, igrejas, palácios etc. No Brasil, o uso de rochas estruturais e ornamentais foi introduzido pelos portugueses, no período colonial, sendo a cantaria um elemento onipresente até início do século XX. Atualmente, são amplamente utilizadas na decoração de interiores e exteriores, e são insumo essencial para cimento, concreto, tintas, painéis de gesso dentre outros materiais. AULA 6: INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS Mecânica das rochas Surgimento e consolidação da mecânica das rochas Todas essas obras em rocha desde a Antiguidade revelam refinadas técnicas de seleção, corte e emprego estrutural e ornamental, indicando conhecimento de Mecânica de Rochas. Apesar das centenas de anos de experiência, somente o desenvolvimento de grandes barragens e minas ao longo do século XX permitiria individualizar a Mecânica das Rochas, que se desenvolveu mais lentamente que a Mecânica dos Solos, pelo simples fato de a rocha, por muito tempo, ser considerada mais competente que o solo e gerar menos problemas com fundações ou estruturas, especialmente em climas temperados, de intemperismo menos intenso: • Surge nas Engenharias aproximadamente no início da década de 1950; • Torna-se disciplina independente nas universidades de Engenharia durante os anos 1960. AULA 6: INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS Mecânica das rochas Características da mecânica das rochas A rocha é um material bastante distinto de outros materiais da Engenharia. Por isso, os projetos em rochas são bastante especiais. A Mecânica, de uma forma geral, estuda a resposta de um material a uma solicitação qualquer. A Mecânica das Rochas estuda as propriedades e o comportamento dos maciços rochosos submetidos a tensões ou variações das suas condições iniciais. Pedra angular (chave) em sistema triangular, entrada da grande pirâmide de Quéops - Egito AULA 6: INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS Mecânica das rochas Enfoque da mecânica das rochas Identificar o comportamento de rochas quanto a: Resistência mecânica Tensão de ruptura, tipo de colapso. Deformabilidade Grau de deformação resultante de variações no carregamento e/ou na temperatura. Permeabilidade Fluxo de fluidos através dos poros e fissuras. Compressão uniaxial, curva de Tensão x Deformação em rocha dúctil AULA 6: INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS Mecânica das rochas Mecânica das rochas aplicada às engenharias Ramo da Geomecânica, utiliza princípios de Mecânica dos Sólidos e Geologia para quantificar a resposta da rocha a uma perturbação de Engenharia, induzida pelo homem. Os sistemas de Engenharia precisam ser concebidos para suportar esforços efetivos e prováveis que lhe podem ser impostos. Por exemplo, uma barragem deve resistir principalmente à pressão de água do reservatório, mas também deve suportar outras cargas, tais como decorrentes de sismos, variações volumétricas termais etc. As rochas sob a barragem devem resistir à sobrecarga da obra, e ao mesmo tempo devem impedir perdas significativas de água do reservatório: ou seja, o estudo da Mecânica é fundamental ao sucesso da obra. AULA 6: INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS Mecânica das rochas Fundamentos da mecânica das rochas Baseada na Mecânica dos Sólidos. Auxilia na concepção de sistemas de Engenharia com adequada resistência, rigidez, estabilidade e integridade (garantia de segurança, economia, e durabilidade). Um objeto de engenharia está sujeito a várias forças e restrições; seu comportamento é avaliado usando-se as leis fundamentais da Mecânica Newtoniana, em que dois elementos são fundamentais: • Resistência interna de um objeto sólido; • Mudança de forma ou deformação do objeto em resposta às forças externas. Forças externas aplicadas são representadas pelo termo Tensão (média de forças sobre uma área). Há diferenças na comparação com a Mecânica dos Sólidos, quanto a características e comportamento, pois rochas são diferentes dos meios ideais. AULA 6: INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS Mecânica das rochas Comparações entre a mecânica de sólidos e a mecânica das rochas Contínuo (meio ideal) × Descontínuo (rocha) Vazios (poros e fissuras) entre grãos sólidos, preenchidos por fluidos (ar, água, óleo, gás), influenciam o comportamento das rochas. Homogêneo (meio ideal) × Heterogêneo (rocha) Diferentes minerais, com diferentes características mecânicas, tais como coeficientes de dilatação, dureza, entre outros, compõem uma única rocha. Isotrópico (meio ideal) × Anisotrópico (rocha) Rochas vão modificando proporções de minerais e vazios, em todas as direções, a partir de um ponto inicial. Linear Elástico (meio ideal) × Não linear, Elastoplástico (rocha) A partir de determinada tensão aplicada, rochas potencialmente passam a sofrer deformação irreversível. Essas diferenças fazem as rochas mais variáveis e complexas do que os sólidos ideais. AULA 6: INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS Mecânica das rochas Importância do dado empírico A Mecânica das Rochas é uma ciência essencialmente empírica, pois um mesmo típico genético de rocha está sujeito a condições ambientais locais das mais diversas (intemperismo, tensões prévias, umidade, temperatura), que podem alterar sobremaneira a resposta a tensões aplicadas. Considera-se que propriedades das rochas são específicas em cada local. Previsões teóricas sempre devem ser confrontadas com resultados empíricos. Resultados mais confiáveis apoiam-se na inter-relação de dados obtidos de ensaios de laboratório e medições in situ, com conceitos básicos da Mecânica de Sólidos, de maneira a quantificar o comportamento das rochas em cenários de solicitações diversas. AULA 6: INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS Mecânica das rochas Aplicações da mecânica das rochas Independente do uso, os problemas abordados são sempre a resistência mecânica à ruptura; a tendência a deformações; e a permeabilidade da rocha usada. Mineração Grande variedade de geometrias: maximizar a explotação; minimizar suportes (colunas de sustentação). Armazenamento subterrâneo Finalidade básica: isolar o produto ou rejeito. Fatores considerados: fenômenos acoplados com a temperatura; tempo de vida útil longa, incomum em obras civis. AULA 6: INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS Mecânica das rochas Aplicações da mecânica das rochas Estabilidade de taludes Análise potencial de ruptura: Mecânica das Rochas combinada à Geologia Estrutural. Fundações de obras civis (e de plataformas de petróleo) A rocha é, em geral, excelente material de fundação. Exceções: alteração; fraturas próximas à superfície. Problemas críticos: determinar níveis aceitáveis de deformação; permeabilidade (e.g. barragens). AULA 6: INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS Mecânica das rochas Aplicações da mecânica das rochas Escavação de túneis e poços (incluindo poços de petróleo) A estabilidade depende: • • • • da estrutura da rocha; do estado de tensões; do regime de fluxo de fluidos; da técnica de construção (perfuração e completação, no caso de hidrocarbonetos). AULA 6: INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS Mecânica das rochas Aplicações da mecânica das rochas Escavação de túneis e poços (incluindo poços de petróleo) Abrir poços circulares e introduzir fluidos de perfuração e de completação em uma formação originalmente estável pode resultar em instabilidade, ruptura e colapso do poço. Furos circulares não verticais podem concentrar tensões por metros de diâmetro, excedendo a resistência da formação, resultando em ruptura plástica. Fluidos de completação podem modificar a pressão dos poros. AULA 6: INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS Mecânica das rochas Importância da mecânica das rochas na indústria de óleo e gás Diz respeito à previsão de deformação, compactação, fratura, colapso e falhamento de formações rochosas em reservatórios de óleo e gás, que são causadas pela perfuração e produção. A previsão correta de estabilidade dos poços é cada vez mais importante, em um cenário de explotação em profundidades cada vez maiores, em reservatórios de maior pressão e temperatura, conforme o Pré-Sal alcança profundidades recordes. Deformação de sobrecarga, fraturamento, colapso, subsidência do terreno, devem ser simulados, medidos, e calibrados corretamente. AULA 6: INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS Mecânica das rochas Perfuração de poços de petróleo Demanda do Engenheiro o entendimento dos mecanismos básicos da remoção de rocha e os conceitos de Mecânica de Rochas. Principalmente, o entendimento do comportamento das rochas frente a perturbações e alterações provocadas pela escavação, mudanças de tensões, fluxos de fluidos, mudanças de temperatura, erosão etc. Estudos de Mecânica permitem: • reduzir duração e custos de perfuração; • aumentar a segurança e confiabilidade da perfuração (menos risco); • aumentar o desempenho do reservatório, prevenindo a produção de areia, garantindo melhor projeto de fraturas, menos cisalhamento do revestimento, menos subsidência, menos compactação; • prever instabilidade, reduzir risco de prisão e/ou ruptura da coluna de perfuração (stuck pipe), perda de circulação, desvios dentre outros problemas operacionais. AULA 6: INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS Mecânica das rochas Equipamentos de perfuração Precisam ser projetados para perfurar de forma adequada e correta, diferentes tipos de materiais rochosos. Devem garantir que as cargas que impõem não alterem a integridade da formação rochosa nem afetem a estabilidade do poço perfurado. AULA 6: INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS Mecânica das rochas Saiba mais Sugestões de leitura para aprofundamento Debater estrutura acadêmica e conteúdo científico de trabalho aplicado. GOODMAN, Richard. E. Introduction to Rock Mechanics, 2nd edition. John Wiley & Sons, 1989. DUARTE AZEVEDO, Izabel Christina; MARQUES, Eduardo Antonio Gomes. Introdução à Mecânica das Rochas. Caderno Didático 85, Editora UFV, 2006. FJÆR, E.; HOLT, R. M.; HORSRUD, P. A.M. Raaen & R. Risnes Petroleum Related Rock Mechanics, 2nd edition. Developments in Petroleum Science 53, Elsevier, 2008. Assistir aos vídeos: •Túnel sob os Alpes suíços (Discovery Channel) – desafios da perfuração. https://www.youtube.com/watch?v=sw08RaDG440 •Minas de diamante (Discovery Channel) – desafios da escavação. https://www.youtube.com/watch?v=nNPxp6bvXkM AULA 6: INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS Mecânica das rochas VAMOS AOS PRÓXIMOS PASSOS? Unidade 3: Propriedades de resistência e deformabilidade de rochas, descontinuidades e maciços rochosos. Resistência das rochas Ensaios laboratoriais (compressões uniaxial, triaxial, tração e tenacidade) AULA 6: INTRODUÇÃO À MECÂNICA DAS ROCHAS AVANCE PARA FINALIZAR A APRESENTAÇÃO.
