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Revista de Ciência e Tecnologia - Unig

Volume 6  Número 1  Junho de 2006  ISSN 1519­8022  4  REVISTA DE  CIÊ NCIA & TECNOLOGIA  A revista tecnológica da UNIG

REVISTA DE  CIÊ NCIA & TECNOLOGIA  A revista tecnológica da UNIG 

Direitos exclusivos para esta edição:  Universidade Iguaçu ? UNIG  Faculdade de Ciências Exatas e Tecnológicas  Nova Iguaçu, RJ 

Os artigos desta revista sã o de responsabilidade exclusiva dos autores. É permitida a reprodução  total ou parcial dos artigos nela publicados, desde que seja citada a fonte.  Impresso no Brasil 

Supervisor Editorial  António Filipe Falcã o de Montalvã o, UNIG  Corpo Editorial  Antônio Carlos de Abreu Mol, CNEN  Antônio Carlos Freire Sampaio, UNIG  António Filipe Falcã o de Montalvã o, UNIG  Cláudio Henrique dos Santos Grecco, UNIG C, NEN  Cláudio Márcio Nascimento Abreu Pereira, UNIG  Denise Salim Santos, UNIG, FACHA  Fernando Medina, UNIG  Francisco Antônio Caldas Andrade Pinto, UNIG  Isaias Gonzaga de Oliveira, UNIG  Paulo Fernando Neves Rodrigues, FAU/UFRJ 

REVISTA DE  CIÊ NCIA & TECNOLOGIA  A revista tecnológica da UNIG 

Objetivo e Escopo  REVISTA DE CIÊN CIA & TECNOLOGIA é uma publicação de distribuição gratuita, editada  semestralmente pela Universidade Iguaçu, com o objetivo de divulgar trabalhos científicos  inéditos e artigos de revisã o, cobrindo os diversos temas na área de Ciências Exatas e  Tecnológicas.  Informações para submissão de artigos  Os interessados em submeter artigos para publicação deverão enviál­os ao endereço abaixo, em  duas cópias, impressas em papel formato A4 (impresso somente de um lado da folha), coluna  única, com espaçamento simples e letra Times New Roman tamanho 12, acompanhadas dos  1/4  respectivos arquivos eletrônicos (e­mail ou em disquete de 3  ), PC/Compatível, contendo o  texto editado em Microsoft Word, as figuras e tabelas necessáiras. Com o intuito de agilizar a  edição , recomenda­se que as figuras e tabelas sejam embutidas no texto já em suas respectivas  posições. A primeira folha deve conter o título do trabalho, nomes e endereços completos dos  autores e um resumo de, no máximo, 250 palavras. O corpo do trabalho deve ser subdividido em  seçõ es numeradas com algarismos arábicos. As referências devem ser numeradas em ordem de  citação no corpo do texto. O artigo completo nã o deve exceder 15 páginas, incluindo figuras e  tabelas.  Revisã o dos artigos  Todos os artigos serã o revisados por especialistas, membros do corpo editorial, ou, caso haja  necessidade, revisores externos serão  convidados. Neste caso, os nomes de tais revisores serão   informados nos respectivos exemplares. No caso da aceitação  do artigo estar condicionada às  consideraçõ es feitas pelos revisores, estas serão  repassadas ao autor para que o próprio faça as  devidas modificaçõ es no artigo, reenviando­o para o corpo editorial. Após aceitação ou nã o do  trabalho, os autores serão  notificados. O material enviado para revisão  não  será, em hipótese  alguma, retornado ao autor.  Endereço para submissão de artigos  Os artigos devem ser submetidos para:  António Filipe Falcã o de Montalvã o  UNIVERSIDADE IGUAÇ U  Faculdade de Ciências Exatas e Tecnológicas ­ FaCET,  Assessoria de Pesquisa  Av. Abílio Augusto Távora 2134, Nova Iguaçu, RJ  E­mail: facet@unig.br

Expediente  ISSN 1519­8022  Chanceler  Dr. Fábio Raunheitti ? ni  memorian  Presidente da Mantenedora  Prof. Sylvio Jorge de Oliveira Shad  Reitor  Dr. Júlio Césra da Silva  Pró­Reitor Administrativo  Dr. Joã o Batista Barreto Lubanco  Pró­Reitor de Ensino e Graduaçã o  Dr. Carlos Henrique de Melo Reis  Pró­Reitor de Pesquisa e Extensã o  Prof. Antônio Carlos Carreira Freitas  Secretário Geral  Eliana Dória Vince  Diretor da Faculdade de Ciências Exatas eT ecnológicas  Osvaldo Parente Gomez  Coordenador do Curso de Sistemas de Informaçã o  Profª. Débora José de Souza Constantino  Coordenador do Curso de Engenharia da Computaçã o  Profº. Osvaldo Parente Gomez  Coordenador do Curso de Engenharia de Produçã o  Profº. Fernando Medina  Coordenador do Curso de Licenciatura em Computaçã o  Prof ª. Vania Vieira Fernandes Muniz  Coordenador do Curso de Matemática  Prof ª. Maria Teresa Teixeira Ávila  Assessor de Extensã o da Faculdade de Ciências Exatas e Tecnológicas  Prof o . Luis Carlos da Silva 

Universidade Iguaçu  Av. Abílio Augusto Távora, 2134 ? CEP 26.260­000  Nova Iguaçu ? RJ ? Brasil ? Tel.: 2666­2001  www.unig.br

Editorial.................................................................................................................................6 

Aço.......................................................................................................................................... 7 

Comportamento Estrutural.................................................................................................19 

Paulo Fernando Neves Rodrigues e  Adriana da Silva Hermida  Modelo Simplificado na Determinação da Velocidade do Som em Misturas Bifásicas.....29  António Filipe Falcã o de Montalvã o 

Utilizada em Salas de Controle de Usinas Nucleares..........................................................38 

Paulo Victor R . de Carvalho, sIaac Luquetti dos Santos e Cláudio Henrique dos Santos Grecco 

RJ ......................................................................................................................................... 46 

Elisabeth Ritter  ,Manoel Fernando Pereira da Mota ,Juacyara Carbonelli Campos e  Marcus Antonio Ventura 

Presença de Poluentes Emergentes no Meio Ambiente.......................................................57 

Utilizando Rede Neural Probabilística eC aracterísticas deTextura.................................69 

REVISTA DE CIÊ NCIA &T ECNOLOGIA  vol. 6 ? no 1 ? Jun/2006 

Editorial  Desde o início da sua existência, a Revista Ciência &Tecnologia teve o propósito de ser  uma via de comunicação com a comunidade científica na ela qual se insere. Resultados de  desenvolvimentos científicos têm sido publicados por professores e pesquisadores da UNIG e de  outras  instituiçõ es,  contribuindo  assim  para  estreitar  relaçõ es  na  comunidade  científica  objetivando a melhoria no ensino e na pesquisa. O comprometimento do Professor Osvaldo  Parente Gomez, do Professor Cláudio Mácrio do Nascimento Abreu Pereira, do corpo editorial  na seleção e edição de artigos, assim como o compromisso dos dirigentes UNIG na manutenção  da infra­estrutura necessárai, tem sido fundamental na obtenção de periodicidade na edição  e  qualidade da revista. A participação  dos professores e pesquisadores da UNIG e da comunidade  científica  externa  na  revista  tem­na  engrandecido  de  uma  maneira  crescente.  Assim  este  periódico atinge o objetivo de ser um veículo de divulgação de resultados de pesquisas  científicas. A publicação de artigos de pesquisadores de outras instituiçõ es demonstra que a  revista tem alcançado também a comunidade científica externa. Não  se pode deixar de enfatizar,  porém, que a revista Ciência & Tecnologia é um veículo fundamental na divulgação dos  resultados de projetos científicos dos professores da FaCET. 

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Aplicação Estrutural de Concretos de Altíssimo Desempenho  Reforçados com Fibras de Aço  Sidiclei Formagini 

Universidade para o Desenvolvimento do Estado e da Regiã o doP antanal­UDERP  Rua Ceará, 33, Miguel Couto, Campo Grande ? MS, CEP: 7903­010 Caixa Postal: 2153  E­mail: sidiclei@yahoo.com.br  Resumo  O aprimoramento de técnicas de dosagens, aliadas ao uso de novos materiais cimentíceos e  químicos, possibilitou desenvolver concretos de altíssimo desempenho reforçados com fibras  (CONADAF). O elevado desempenho e durabilidade, mesmo em condições ambientais  agressivas, tornam o compósito ideal para ser aplicado na confecção de estruturas esbeltas,  com espessura mínima de até 1 cm, com formas variadas e arrojadas. Este artigo apresenta  algumas de suas propriedades nos estados fresco e endurecido e de durabilidade, assim como  exemplos bem sucedidos de sua utilização na construção de estruturas no Brasil e no mundo.  Todos os casos apresentados de utilizaçã o do material comprovam sua viabilidade nos diversos  setores da arquitetura e da engenharia, tais como construção de peças decorativas, esculturas,  monumentos artísticos, painéis pré­fabricados e estruturas de grande porte.  Palavras­chave: CONADAF, altísimo desempenho, concreto, dosagem, aplicação estrutural. 

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superior à do concreto convencional, devido  à sua baixa porosidade. Concretos com estas  características  passaram  a  ser  usados  em  construçõ es  ao  ar  livre  ou  sob  as  mais  severas condiçõ es ambientais como no caso  de  plataformas  marítimas,  pontes,  usinas  nucleares, edifícios altos etc.  Produzir concretos com diversos tipos de  materiais,  buscando  elevado  desempenho,  não é uma tarefa fáicl, uma vez que os  problemas  de  empacotamento  e  interação  entre os grão s, no estado fresco, tornam­se  mais relevantes devido à redução da relação  água/cimento, [1]. Para se atingirem os mais  elevados valores possíveis de resistências à  compressão , é necessáiro reduzir a dimensã o  dos agregados, tornando o concreto menos  heterogêneo, minimizando o efeito da zona  de transição e a contribuição  do agregado na  resistência à compressão . ORANGE et al.,  [2] sugerem uma dimensão  máxima para o  agregado  de  2  mm  para  produção  de  concretos  com  altísimo  desempenho  com  resistência  à  compressã o  aos  28  dias  superior a1 20 MPa.  A crescente exigência de concretos com  propriedades  mecânicas  cada  vez  mais  elevadas na construção civil fez com que  pesquisadores  de  diversas  universidades  e  empresas  particulares  elaborassem  novas  metodologias  de  dosagem,  fugindo  dos  procedimentos  convencionais,  que  atualmente são  limitados a poucos materiais.  Com isso, a cada ano, pesquisadores estã o  desenvolvendo  concretos  mais  resistentes.  Concretos com resistência à compressão  de  até 400  MPa  foram  produzidos  usando  agregados apropriados e aplicando cura com  tratamento  térmico  [3].  Atualmente,  o  recorde mundial de resistência à compressã o  é de  800  MPa,  concreto  produzido  com  agregados  metáliocs,  aplicando  cura  sob  pressão  com tratamento térmico. Para alguns  pesquisadores,  produzir  concretos  com  resistência à compressão  de 1 GPa não  é 

8  mais  considerado  utopia,  apenas  uma  questão  de tempo, [4]. 

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a  fatores  como:  condiçõ es  e  técnicas  de  produção   serem  dominadas  por  poucos  engenheiros? custo elevado dos componentes  da  mistura?  custo  operacional  elevado,  devido à pequena escala de produção do  material? logística de operacionalização de  sua produção.  Composição  Para a produção do CONADAF, podem  ser  empregados  materiais  como:  cimentos  classe CP III, CP IV e CP V? sílica ativa?  sílica 325 (sílica flour)? classes de areias  com dimensão  dos grão s entre 150 e 300  ?m, 300 e 425 ?m e entre 425 e 600 ?m?  microfibra de aço (diâmetro de 0,18 mm e  comprimento  de  12  mm)  e  mineral  (microfibra  de  wollastonita  com  dimensã o  transversal variando de 5 ?m a 100 ?m e a  longitudinal  de  50  ?m  a  2  mm)?  e  dispersante de terceira geração à base de  policarboxilatos.  Parâmetros de Dosagem  Alguns  parâmetros  básiocs  devem  ser  levados em conta na dosagem dos concretos  para  garantir  propriedades  de  altísimo  desempenho tanto no estado fresco como no  endurecido. Estes parâmetros são , [3]:  ?  homogeneização  da  mistura  através da  redução na dimensão  dos agregados?  ?  aumento  da  compacidade  através  da  otimização  da mistura granular?  ?  aumento da ductilidade através da adição  de microfibras minerais e fibras metáliacs.  A aplicação  destes parâmetros fornece à  matriz  altíssimos  valores  de  resistência  à  compressão .  A  adição   de  fibras  à matriz  promove uma melhora na sua resistência à  tração  e  também  faz  com  que  se  torne  possível obter certo grau de ductilidade. 

9  Solução visando ao mais alto desempenho  As  dosagens  de  concreto  têm  sido  realizadas,  na  prátiac,  utilizando  métodos  convencionais  baseados  em  procedimentos  empíricos, obtidos em função das condiçõ es  de abatimento e da resistência à compressão   aos  28  dias.  Os  métodos  existentes  na  literatura, sejam eles para dosar concretos  com  resistência  normal  ou  de  alto  desempenho, são  limitados ao uso de poucos  materiais,  não   abordam  critérios  de  otimização da mistura granular e fornecem  como produto final um material heterogêneo  de baixo ou moderado desempenho (figura  3.1). Dentro deste contexto, a utilização do  método  de  empacotamento  compressível  (MEC), desenvolvido por DE LARRARD  [9] (implementado no Brasil por [1] e [10]),  é  uma  ferramenta  de  dosagem  que  possibilita  a  seleção  e  otimização  dos  constituintes  do  concreto,  aumentando  a  compacidade  da  mistura  granular  e  diminuindo  o  risco  de  segregação ,  com  objetivo  de  proporcionar  o  mais  alto  desempenho ao produto final que, aliado à  baixa relação a/c, torna o concreto coeso e  com baixa porosidade (figura 3.2).  CONCRETO CONVENCIONAL  Baixa compacidade  Maior risco de segregação 

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SOLUÇ ÃO VISANDO ALTO  Aumento da compacidade  Diminuição do risco de segregação 

MATERIAL COESO, POUCO  HETEROGÊ NEO E DE ALTO Figura 3.2 ? Dosagem realizada pelo MEC  [1]  Uma  vez  definida  a  composição  granulométrica, o traço do CONADAF é  entã o otimizado para satisfazer critérios no  estado  fresco  como:  excelente  trabalhabilidade  visando  bombeamento  e  auto­adensamento?  apresentar  comportamento  mecânico  com  altísima  resistência à compressão e comportamento  dúctil à tração [8]. Além disso, deve ser  durável, isto é, resistente aos meios mais  agressivos. Para que esses critérios sejam  alcançados,  a  relação  água/cimento  é a  menor possível, da ordem de 0,20, sendo  que o consumo de água encontra­se próximo  ao  necessáiro  para  preencher  os  vazios  produzidos  pelos  grão s  empacotados.  Normalmente o agregado utilizado é a areia  com diâmetro máximo de 600 µm. A adição  de sílica ativa e o uso otimizado de outros  aditivos minerais também são  absolutamente  essenciais.  Por  último,  são   adicionadas  fibras metáliacs ou sintéticas, que também  são   otimizadas  em  função  do  grau  de  ductilidade  desejado  ao  concreto.  Isto  envolve  a  otimização   do  comportamento  individual das fibras e sua interação com a  matriz.  4.0 ­ Propriedades do CONADAF  Estado fresco  O  CONADAF  apresenta  propriedades  auto­adensáveis,  com  diâmetro  médio  de  espalhamento superior a 70 cm (ensaio de  tronco de cone de Marsh, figura 4.1). Sua  alta  fluidez  permite  moldar  elementos  esbeltos,  com  apenas  1  cm  de  espessura  (figura  4.2),  sem  utilizar  adensamento  mecânico. 

Figura  4.1  ?  ensaio  de  espalhamento  utilizando o tronco de cone de Marsh. 

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CAD. O traço é otimizado para aumentar a  resistência  do  concreto  à  formação  das  primeiras  fissuras,  e  sua  propagação   na  matriz é controlada pelo volume de fibras,  pela  aderência  fibra­matriz  e  por  características  das  fibras,  como  razão   de  aspecto l/d, resistência à tração  e módulo de  elasticidade [5]. A presença de fibras bem  aderidas  a  uma  matriz  de  alta  rigidez,  fornece  ao  compósito  propriedades  mecânicas  elevadas  com  comportamento  elasto­plástcio  com  endurecimento  (?strain  hardening?) após a formação das primeiras  fissuras na matriz (ifgura 4.3) [5] e [6]. 

40  30  20  100mm  P  10 12mm  100mm  Tensão elástica equivalente  na flexão (MPa)  300mm  0  0  4  8  12  16  20  Deflexão no meio do vão (mm)  Figura 4.3 ? Curvas típicas de tensão  equivalente  elástcia  na  flexão   versus  deflexão  no meio do vão.  Sob compressã o uniaxial, o CONADAF  apresenta  comportamento  praticamente  linear  de  tensão ­deformação  até atingir  a  resistência de pico (figura 4.4). A ruptura  explosiva  é minimizada  com  adição   das  fibras, promovendo aumento da ductilidade  ao material.  Durabilidade  O CONADAF apresenta microestrutura  altamente  compacta  com  baixa  absorção  capilar de água (inferior a 0,1g/cm²), baixa  absorção de água por imersão  (inferior a 1%  do peso em massa), baixíssima porosidade  (índice de vazios inferior a 2%) e excelente  resistência  a  ataques  químicos  de  íons  cloretos e sulfatos. 

200  1 ano  160 180 dias  28 dias  120  7 dias  Tensão (MPa)  80  3 dias  40 

0  0  1  2  3  4  5  6  7  8  o /  )  Deformação (  oo 

Figura  4.4  ?  Curvas  típicas  do  comportamento  tensã o­deformação  sob  compressão  uniaxial. 

5.0 ? Viabilidade  Concretos  produzidos  com  essa  tecnologia  podem  ser  empregados  na  confecção de elementos estruturais esbeltos  onde não  háe spaço para adição  de armadura  passiva nem de cisalhamento, combinando  inovação, leveza e durabilidade. Entretanto,  a chave para seu desenvolvimento e uso,  tanto na construção civil como na produção  de  objetos  caseiros,  é  ter  disponíveis  métodos de dosagem, normas para projeto e  métodos  de  caracterização  para  tais  concretos.  No contexto da construção civil, o uso do  CONADAF,  ao  invés  de  concretos  convencionais ou até mesmo de estruturas  de  aço,  pode  ser  economicamente  viável  pelas seguintes vantagens:  ?  não   é necessáiro  o  uso  de  armaduras  passivas: elimina custos de projeto e custos

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operacionais  de  montagem  de  armaduras  principais e secundáiras?  ?  estruturas  com  menor  volume  e  peso:  elementos  moldados  com  CONADAF  podem ser duas ou três vezes mais leves do  que aqueles de concreto convencional?  ?  moldagem  de  elementos  esbeltos:  elementos  com  espessura  a  partir  de  um  centímetro  podem  ser  moldados  com  facilidade?  ?  baixo  custo  de  manutenção:  estruturas  feitas  com  CONADAF,  especialmente  aquelas situadas em ambientes agressivos,  podem apresentar resistência e durabilidade  elevadas  em  relação   às  estruturas  de  concreto convencional ou de aço?  ?  possibilidade de concepçõ es e produçõ es  arquitetônicas  arrojadas,  com  as  mais  variadas formas e esbeltez.  O uso do CONADAF na confecção de  elementos  estruturais  pode  apresentar  as  seguintes vantagens:  ?  elevada  resistência  à  compressão ,  à  tração direta e na flexão ?  ?  comportamento dúctil: alta capacidade de  deformação  após  abertura  da  primeira  fissura na matriz?  ?  excelentes propriedades de lançamento e  adensamento?  ?  baixa  permeabilidade:  baixo  risco  de  carbonatação e penetração  de íons cloretos e  de sulfatos?  ?  valores  muito  baixos  de  retração   por  secagem  e  fluência  tornando­se  excelente  em estruturas protendidas.  ?  custo  de  manutenção  mínimo,  pois  apresenta vida útil estimada superior a 1000  anos.  6. 0 ? Aplicaçã o  Esta  nova  geração  de  concreto  com  propriedades  mecânicas  elevadas,  durabilidade  e  estética,  é  ideal  para  manutenção e regularizaçõ es em estruturas  existentes, construçõ es de novas estruturas  que necessitem tais propriedades, como é o  caso de edifícios altos, pontes com grandes  vão s,  túneis  e  principalmente  obras  em  ambientes  agressivos  como  plataformas  marítimas e usinas nucleares.  A seguir são  apresentados exemplos bem  sucedidos de aplicação do CONADAF e do  ®  Ductal , da Lafarge Cimentos, em diferentes  elementos  estruturais,  sem  presença  de  armadura principal. 

Figura  6.1  ?  adequação  e  estética  em  superfícies irregulares, [1].  Estética  A figura 6.1 mostra a estética do concreto  moldado  sob  superfícies  irregulares,  provando que o material se adaptou muito  bem  aos  contornos  do  molde  utilizado,  apresentando a superfície bem definida com  aspecto brilhoso.  ®  A utilização do Ductal  permitiu a criação  de painéis pré­fabricados texturizados com  um esboço vegetal em alto relevo através do  uso de folhas naturais no fundo dos moldes  (figura 6.2). Estes painéis foram utilizados  para revestir a fachada de uma escola na  Cidade de ?Franche Comte?, na França. Ao  todo, foram produzidos 23 painéis (1,70 x  3,60 m e 1,70 x 4,60 m) com espessura de  apenas 3,5 cm.

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Estação de trem de Shawnessy  Para  construir  a  estação  de  trem  de  ?Shawnessy? na cidade de Calgary, Canadá  (figura 6.4), foram utilizadas coberturas em  forma de cascas côncavas, sem presença de  armadura  principal,  com  espessura  de  20  ®  mm.  O  Ductal  demonstrou  excelente  facilidade de uso nesta criação arrojada. Esta  criatividade  artística,  com  elevada  resistência  estrutural,  foi  projetada  e  analisada experimentalmente pelo Centro de  Inovação  Tecnológica  da  Universidade  de  Calgary, que aprovou o uso do material. Os  pré­fabricados,  além  de  extremamente  duráveis,  também  são   fáceis  de  serem  limpados, exigindo um custo de manutenção  muito baixo [12].  Torre para suporte de um sino 

Figura 6.2 ? Painéis com aberturas em  forma de folhas utilizados em uma escola na  França [13]. 

Passarela de Sherbrooke  A figura 6.3 mostra um exemplo clásisco  ®  de aplicação  do Ductal , na construção dos  elementos estruturais de uma passarela sob  um riacho na Cidade de Sherbrooke, Canadá  [11]. 

Figura 6.3 ? estrutura de uma passarela  sobre um riacho em Sherbrooke, Quebec,  Canadá [1 1].  A  reconstrução  de  uma  torre  de  sino  (figura 6.5) na cidade de Laval, na França,  ®  utilizando  o  Ductal ,  possibilitou  um  considerável  aumento  na  vida  útil  da  estrutura. A segunda vantagem obtida foi a  redução em cerca de 5 vezes no peso do  conjunto, que media 7 metros de altura. Por  último,  a  produção ,  cura,  transporte  e  posicionamento do conjunto a uma altura de  22 metros foram realizados em apenas 48  horas.

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Figura 6.5 ? Torre de sino, Laval, França  [13].  Figura  6.4  ?  Abrigo  de  pedestres  em  Calgary, Canadá [21]e[13]  Guarda­sóis em fachadas de edifício 

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passarela com 19 m de comprimento e 1,6 m  de  largura  (figura  6.7),  inteiramente  em  Ductal ® ,   em  um  de  seus  armazéns  destinados ao armazenamento de produtos  químicos. A passarela foi construída com  três elementos pré­fabricados, sem armadura  passiva,  apoiada  em  pilares  de  aço,  independentes da superestrutura. A estrutura  produzida  com  o  Ductal®   substituiu  o  projeto original que previa o uso de aço,  oferecendo capacidade de carga maior que a  estrutura original, com apenas uma laje de 8  cm de espessura. 

Figura 6.7 ? Passarela industrial na Cryso  [13].  Estaçã o de trem subterrânea  Combinar  desempenho  estético  era  o  objetivo ambicioso para os painéis acústicos  utilizados  na  construção  de  uma  estação  subterrânea (figura 6.8) no Principado de  Mônaco.  As  paredes  da  estação  necessitavam  ser  produzidas  com  baixo  peso.  Então ,  foram  construídos  painéis  acústicos finos com aberturas de 1,5 cm²  com objetivo de diminuir o peso e o barulho  provocado pelo fenômeno de reverberação  durante  a  passagem  dos  trens.  Além  do  exigir  desempenho  acústico  e  estético,  os  painéis  também  deveriam  resistir  à  agressividade do ambiente. Além do mais,  painéis com dimensão  média de 1,80 x 2,30  m, espessura de 2 cm nas áeras sólidas e 1,5  cm nas áeras perfuradas são  fáceis de serem  transportados  e  instalados,  fornecendo  acabamento  altamente  estético  para  os  usuáiros da estação e seus operadores. 

Figura 6.8 ? Estação de trem subterrânea  [13].  Ár vore de Martel 

®  O  Ductal  também  foi  utilizado  para  produzir uma escultura em forma de ávrore  (ávrore de Martel, figura 6.9), com 8,50  metros de altura na cidade de Boulogne­  Billancourt  (França).  As  qualidades  intrínsecas  do  material  foram  exploradas

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para fornecer um complexo processo de unir  as folhas (algumas das quais tinham apenas  6 cm de espessura) ao tronco da árvore. 

Figura 6.9 ? Árvore de Martel,[13].  Estruturas de pontes  A administração  federal de estradas dos  Estados Unidos (FHWA) lançou um estudo  detalhado  para  desenvolver  soluçõ es  utilizando materiais de elevado desempenho,  com objetivo de reduzir significativamente o  número  de  pontes  obsoletas  de  váiras  décadas [13]. Dos resultados iniciais com  diversos  tipos  de  materiais,  o  Ductal ®   apresentou  a  melhor  solução ,  fornecendo  custos de manutenção reduzidos em função  da máxima durabilidade. Conseqüentemente,  uma  ponte  experimental  (figura  6.10)  foi  projetada e construída no estado da Virgínia  validando o estudo. A ponte é composta por  duas vigas em forma de PI, com 21,3 m de  comprimento  por  2,44  m  de  largura,  utilizando armadura protendida. O projeto  dessas vigas foi desenvolvido e monitorado  através de um estudo científico realizado no  M.I.T.  (Instituto  de  Tecnologia  de  Massachusetts), EUA. 

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ROSA [15] e FAIRBAIRN et al. [7]. A  ®  figura 6.11 mostra uma casca de Ductal  construída e ensaiada na COPPE/UFRJ por  BRANDÃO  [14].  A  casca  na  forma  de  tronco  piramidal  quadrada,  com  os  lados  medindo  3,0  m,  tem  apenas  1  cm  de  espessura. Para que sua ruptura ocorresse,  foi aplicada uma carga pontual superior a 1  tf na regiã o central. Este estudo provou a  viabilidade  técnica  de  desenvolvimento  e  produção  de elementos estruturais com este  tipo de material no Brasil. 

Figura 6.11 ? Casca em forma de tronco  piramidal projetada, construída e ensaiada  na COPPE/UFRJ [14]. 

7. Conclusõ es  ®  O CONADAF­Ductal , por ser um material  extremamente  resistente  e  durável,  mesmo  quando  submetido  a  meios  bastante  agressivos,  é um  material  ideal  para  ser  utilizado  em  estruturas  cada  vez  mais  esbeltas que, físicamente, impossibilitam o  uso de armaduras passivas. A seção e o  volume de concreto necessáiros para resistir  aos esforços solicitantes tornam­se inferiores  àqueles que seriam necessárois, caso fosse  utilizado concreto convencional, ou seja, o  volume  de  material  pode  ser  reduzido  consideravelmente.  A  longo  prazo,  a  durabilidade elevada do material minimizará  os  custos  de  manutenção,  reparo  e  substituição da estrutura existente por uma  nova.  Todos  os  exemplos  apresentados  de  aplicação   deste  tipo  de  material  na  construção  de  elementos  estruturais  foram  bem sucedidos, indicando sua versatilidade e  potencialidade. 

Referências  [1]  FORMAGINI,  S.,  ?Dosagem  Científica e Caracterização Mecânica  de  Concretos  de  Altísimo  Desempenho?. Tese de Doutorado,  COPPE/UFRJ, Roi  de Janeiro, 2005  [2]  ORANGE,  G.,  DUGAT,  J.  AND  ACKER, P., ?Ductal: New Ultra High  Performance  Concretes.  Damage  Resistance  and  Micromechanical  Analysis?. Fifth RILEM Symposium on  Fiber­Reinforced  Concretes  (FRC),  Lyon,  France,  September  2000,  pages  781­790.  [3]  RICHARD, P AND CHEYREZY, M.,  ?Composition  of  Reactive  Powder  Concretes?.  Cement  and  Concrete  Research, Vol. 25 ,N° 7, 1995.  [4] AÏTCIN, P. C., ?Cements of Yesterday  and  Today:  Concrete  of  Tomorrow?.  Cement and Concrete Research, Vol. 30,  Issue 9, September, 2000.  [5] FORMAGINI, S., TOLEDO­FILHO, R.  D., FAIRBAIRN, E. M. R., ?Mix design  and Mechanical Characterization of an  Ultra  High  Performance  Fiber  Reinforced  Cement  Composites  (UHPFRCC)?,  in  International  Workshop on High Performance Fiber  Reinforced Cementitious Composites in

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Structural Applications, Honolulu, USA,  (RILEM, 2005).  [6] FAIRBAIRN,  E.  M.  R.,  TOLEDO  FILHO,  R.  D.,  FORMAGINI,  S.,  ROSA, J. I. AND BATTISTA, R. C.,  ?Experimental  Analysis  and  Modeling  of  Ultra  High  Performance  Fiber  Reinforced  Concrete  Plates?,  in  International  Workshop  on  High  Performance  Fiber  Reinforced  Cementitious  Composites  in  Structural  Applications, Honolulu, USA, (RILEM,  2005).  [7] FAIRBAIRN,  E.  M.  R.?  TOLEDO  FILHO,  R.  D.?  BATTISTA,  R.  C.?  BRANDÃO,  J. H.? ROSA, J. I.? and  FORMAGINI,  S.,  ?Experimental  And  Numerical Analysis Of UHPFRC Plates  th  And Shells?. 16  European Conference  of Fracture ? Failure Analysis of Nano  and  Engineering  Materials  and  Structures,  Alexandroupolis,  Greece,  July, 2006.  [8] CHANVILLARD, G. AND RIGAUD,  S.,  ?Complete  Characterization  of  Tensile Properties of Ductal UHPFRC  According  to  the  French  Recommendations?.  RILEM  ?  Fourth  International  Workshop  on  High  Performance  Fiber  Reinforced  Cement  Composites  (HPFRCC4),  Ann  Arbor,  USA, 2004.  [9] DE LARRARD, F., ?Concrete Mixture  Proportioning: A Scientific Approach?. 

Modern  Concrete  Technology  Series,  vol. 9, E&FN SPON, London, 1999.  [10]  SILVA, A. S. M. DA, ?Dosagem de  Concreto  Pelos  Métodos  de  Empacotamento Compressível e Aïtcin­  Faury  Modificado?.  Dissertação  de  Mestrado,  COPPE/UFRJ,  Rio  de  Janeiro, 2004.  [11]  BLAIS, P. Y. AND COUTURE, M.,  ?Precast, Prestressed Pedestrian Bridge  ?  World?s  First  Reactive  Powder  Concrete  Structure?.  PCI  Journal,  September­October 199.  [12]  TOLEDO  FILHO,  R.  D.,  FORMAGINI, S., FAIRBAIRN, E. M.  R., ROSA, J. I. AND BATTISTA, R. C.,  ?Modelagem Numérico­Experimental de  Placas  em  Concretos  de  Altíssima  Resistência?. 47º Congresso Brasileiro  do Concreto, Recife, 2005.  [13]  Ductal  ?  Lafarge,  Disponível  em  http://www.ductal­lafarge.com.  Acesso  em 02 de maior de 2006.  [14]  BRANDÃO,   J.  H.,  ?Análsie  Experimental e Numérica de Cascas de  Concreto  de  Ultra­Alto  Desempenho  Reforçado  com  Fibras?.  Tese  de  Doutorado,  COPPE/UFRJ,  Rio  de  Janeiro, 2005.  [15]  ROSA, J. I. da, ?Análsie Numérica­  Experimental  de  Prismas,  Placas  e  Cascas  de  Compósitos  Fibrosos  de  Altísimo Desempenho?. Dissertação de  Mestrado,  COPPE/UFRJ,  2005. 

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Modelagem de Elementos Básicos de Estruturas para a  Análise Qualitativa do Comportamento Estrutural  Paulo Fernando Neves Rodrigues 1 e Adriana da Silva Hermida 2 

1 Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ  Faculdade de Arquitetura eU rbanismo, FAU/UFRJ  Ilha do Fundã o ? 21945 970 ­ Rio de Janeiro, RJ, Brasil  E­mail: pfnr@fau.ufrj.br  2 Arquiteta, of rmada pela FAU/UFRJ  Ilha do Fundã o ? 21945 970 ­ Rio de Janeiro, RJ, Brasil  E­mail: driarq@click21.com.br 

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todo  arquiteto  deve  conhecer  os  tipos  de  sistemas estruturais existentes, saber como  seus  elementos  se  comportam  e  estar  capacitado  a  apresentar  seu  pré­  dimensionamento.  As  estruturas  criadas  pelo  homem  são   concebidas  e  projetadas  para  atender  a  determinados requisitos básiocs, sejam estes  de funcionalidade, de estética, de economia,  de equilíbrio, de estabilidade, de resistência  etc. Deste modo, tornam­se a essência da  arquitetura.  Portanto,  o  primeiro  contato  do  aluno  com esta matéria é de extrema importância,.  uma vez que, a partir desse momento, o  estudante se sentirá motivado a ampliar e  aprimorar  os  seus  conhecimentos  nos  períodos seguintes.  No curso de Arquitetura e Urbanismo da  FAU/UFRJ, já no primeiro período letivo o  estudo dos sistemas estruturais é introduzido  através  da  disciplina  ?Modelagem  dos  Sistemas  Estruturais?.  Nesta  disciplina,  estudam­se  não   só  as  características  e  propriedades  principais  de  cada  elemento  estrutural isolado, mas também as diversas  composiçõ es estruturais.  A metodologia utilizada no curso explora  o  uso  da  intuição  no  processo  de  aprendizagem, através de exemplos tirados  dos elementos existentes na natureza, das  reaçõ es  no  corpo  humano,  de  modelos  reduzidos de estruturas feitos em sala pelos  alunos, monitores e professores? e exemplos  de aplicação  de estruturas na Arquitetura e  Engenharia,  através de  observações  das  obras construídas no passado e no presente,  seus sucessos e insucessos.  O objetivo é mostrar ao aluno qual a  função  da  estrutura  na  Arquitetura,  sua  relevância no processo de projetar e executar  uma  edificação,  introduzindo  qualitativamente  os  sistemas  estruturais  existentes e suas características, incluindo o  comportamento  estrutural,  quando  submetidos  a  determinados  carregamentos.  É  possível, então , facilitar o entendimento  do estudante de Arquitetura sobre conceitos  báiscos,  como  os  de  torção,  tração,  compressão , flambagem etc, tirando partido  da sua capacidade visual e tornando esse  assunto mais atraente e fascinante, sem ser  superficial. Desta forma, desenvolve­se uma  base para o início do estudo do processo  quantitativo  dos  diversos  fenômenos  existentes na estrutura.  Sendo a análise experimental qualitativa  uma maneira fáicl de direcionar a intuição  através do sentimento e da visualização , é  solicitada  aos  alunos  a  concepção,  elaboração  e  execução  de  um  modelo  reduzido, viável para ser construído em sala  de aula (oficina de maquete), que possibilite  a  percepção  do  comportamento  estrutural,  por meio da observação das configuraçõ es  deformadas  dos  elementos,  confeccionados  com  materiais  relativamente  flexíveis,  a  partir  da  aplicação  de  determinadas  solicitaçõ es.  Com  isso,  os  conhecimentos  adquiridos durante o curso são  postos em  prátiac. 

2. Modelagem dos elementos básicos e  dos sistemas estruturais  Basicamente  dois  fatores  são   de  extrema  importância no ensino da matéria Sistemas  Estruturais, numa faculdade de Arquitetura.  O primeiro, como jád ito antes diz respeito à  motivação  do aluno em ampliar e aprimorar  seus conhecimentos com relação  à estrutura,  nos  períodos  seguintes?  o  segundo,  não   menos  importante,  trata  de  mostrar  a  importância e a relação da estrutura no ato  de  projetar,  ou  seja,  de  mostrar  aos  estudantes que ?não se compreende como  belo  aquilo  que  tenha  apenas  aparência  estética  agradável,  mas  sim  o  belo  mais  amplo, o belo como expressão ? [POLILLO,  1968].

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Os sistemas estruturais sã o compostos de  elementos  que  ao  se  inter­relacionarem  desempenham uma função, permanente ou  não .  A  associação  destes  elementos  pode  resultar  em  inúmeras  possibilidades  de  criações estruturais. Quando feita de uma  maneira  coerente,  sob  o  ponto  de  vista  econômico,  com  base  na  diversidade  de  materiais  existentes,  pode­se  chegar  numa  arquitetura  com  soluçõ es  estruturais  mais  leves e econômicas.  A seguir, são  apresentados, de maneira  sucinta,  alguns  aspectos  da  metodologia  aplicada no curso e exemplos de algumas  possibilidades  de  arranjos  de  sistemas  estruturais e suas configuraçõ es deformadas,  a partir de determinadas solicitaçõ es.  VIGA  A maioria das estruturas dos prédios é  constituída  de  arranjos  de  elementos  de  vigas  e  colunas.  Estes  são ,  portanto,  os  elementos estruturais básiocs mais comuns  da construção  civil.  As vigas, quando solicitadas por cargas  verticais atuantes de cima para baixo, sofrem  deslocamentos,  apresentando  uma  deformada associada à flexão . Na prátiac,  apesar  desses  deslocamentos  ocorrerem,  geralmente não  são  perceptíveis a olho nu  porque sã o muito pequenos.  A  flexão   acarreta  uma  combinação  de  tração  e  compressão .  Pode­se  facilmente  perceber onde ocorre tração e compressão  em  vigas  através  do  uso  de  modelos  reduzidos,  confeccionados  em  materiais  flexíveis que possibilitem a ampliação dos  deslocamentos.  Para compreender de uma forma melhor  o comportamento estrutural de vigas através  da  análsie  de  suas  configuraçõ es  deformadas, os alunos construíram modelos  de vigas de borracha com diversas condiçõ es  de  apoio.  As  Figuras  2.1,  2.2  e  2.3  apresentam exemplos de vigas simplesmente  apoiada,  biengastada  e  contínua,  respectivamente.  A  partir  desses  modelos,  pode­se  perceber  que  as  extremidades  da  viga  simplesmente  apoiada  giram  livremente  quando a carga é aplicada. Por outro lado, na  viga duplamente engastada, as extremidades  não   permitem  o  giro.  No  caso  da  viga  contínua, percebe­se a influência de um vão   sobre o outro.  É notável, também, nos três modelos, a  ocorrência  de  tensõ es  de  compressão   nas  fibras  superiores  da  seção  transversal  e  tração  nas  inferiores,  nas  regiõ es  centrais  dos vão s. 

Figura 2.1 ? Viga simplesmente apoiada  Figura 2.2 ? Viga biengastada

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Com o objetivo de visualizar melhor os  resultados da torção , os alunos montaram os  modelos das Figuras 2.5 e 2.6, onde podem­  se ver, nitidamente, esses efeitos. 

Figura 2.3 ? Viga contínua  No caso particular de vigas em balanço,  acontece justamente o oposto, ou seja, tração  nas  fibras  superiores  e  compressã o  nas  inferiores, como apresentado na figura 2.4, a  seguir. 

Figura 2.4 ? Viga em balanço  Ao  analisar  estes  quatro  modelos  de  viga,  os  estudantes  chegaram  à  conclusã o  que  a  viga  biengastada  apresenta  deslocamentos  menores  e,  como  conseqüência, pode suportar mais carga que  a viga simplesmente apoiada. A viga em  balanço, por sua vez, é muito mais flexível  que  a  viga  simplesmente  apoiada,  sendo,  portanto, a menos resistente em termos de  capacidade de carregamento.  Alguns  tipos  de  vigas  podem  sofrer  torção. Vigas que suportam marquises são  os  exemplos  mais  comuns  encontrados  na  prática. A viga balcão , devido à sua forma  curva, também, apresenta torção .  Figura 2.5 ? Viga de marquise 

Figura 2.6 ? Viga balcão  COLUNA  As colunas são  elementos fundamentais  na  concepção  estrutural.  Sua  forma,  seu  tamanho  e  posicionamento  são   determinantes para o projeto de arquitetura.  Colunas esbeltas, quando comprimidas,  podem  apresentar  flambagem.  O  modelo  exibido na Figura 2.7, a seguir, foi montado  utilizando­se hastes de silicone com o intuito  de  observar  os  diversos  modos  de  flambagem  para  colunas  com  diferentes  condiçõ es  de  apoio  nas  extremidades,  no  caso, biarticulada, biengastada e articulada e  engastada.  Através  desta  experiência  foi  possível

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concluir que a flambagem depende do tipo  de material, da esbeltez da barra, dos tipos  de vínculos nas extremidades e da força de  compressão  aplicada e também , visualizar,  os  diversos  comprimentos  efetivos  de  flambagem para as diferentes condiçõ es de  apoio. 

Figura 2.8 ? Cabos  ARCO  Figura 2.7 ? Flambagem  CABO  Os elementos de cabos da Figura 2.8  foram  feitos  com  elástcios.  Estruturas  de  cabos,  por  serem  bastante  esbeltas  e  flexíveis,  não   oferecem  resistência  a  esforços  de  compressã o.  Entretanto,  apresentam grande resistência à tração. Os  alunos tiveram a oportunidade de perceber  que,  devido  a  essas  características,  cabos  podem ser utilizados para enrijecer pórticos  submetidos a esforços laterais, sejam eles  devidos à ação  do vento, frenagem etc.  Verifica­se também, através do modelo  confeccionado com corrente, da Figura 2.9,  que as estruturas de cabos, além de serem  resistentes  à tração,  esbeltas  e  flexíveis,  possuem uma configuração deformada que  varia de acordo com a intensidade e posição  da  carga  aplicada.  Em  outras  palavras,  reforçaram  os  conceitos  de  funiculares  de  forças e catenáira.  Ao contrário dos cabos, a estrutura do  arco trabalha, principalmente, à compressão ,  embora devido à sua rigidez possa ocorrer  também flexão . No caso particular em que o  arco  tem  a  sua  forma  obtida  através da  inversã o de uma funicular de um cabo, o  mesmo fica submetido apenas à compressão .  Desta forma, teoricamente, o arco pode ser  construído, utilizando­se o mesmo princípio  de construção  dos romanos, ou seja, através  de blocos justapostos, sem a utilização de  aglomerante entre os mesmos. A Figura 2.9  apresenta,  além  do  cabo  citado  anteriormente,  um  arco  montado  pelos  alunos, seguindo este princípio. 

Figura 2.9 ? Cabo e arco  Ficou claro, também que no caso de  mudança do carregamento, o arco montado

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deixaria de ser o inverso de uma funicular.  Alguma tração poderia ocorrer no mesmo e,  como nã o há aglomerante entre os blocos, o  arco, provavelmente, entraria em colapso.  Por meio de outros modelos de arcos,  mostrados nas Figuras 2.10 e 2.11, feitos  com  silicone  e  elástcio,  foi  possível  comparar  o  comportamento  estrutural  do  arco atirantado da Figura 2.10, com o do  arco sem tirante da Figura 2.11. 

Figura 2.10? Arco atirantado  Figura 2.11 ? Arco sem tirante 

Os alunos notaram que a presença do  tirante reduz o deslocamento horizontal dos  apoios,  podendo  até impedi­lo  quando  o  material  do  tirante  for  suficientemente  resistente àt ração.  Sendo o arco uma estrutura rígida, ficou  claro para os alunos que a sua concepção  através  de  materiais  flexíveis,  mostra  somente uma tendência de deslocamento do  mesmo. É perceptível que o arco da Figura  2.13, engastado nas extremidades, é muito  mais rígido que o biarticulado, da Figura  2.12  (ambos  construídos  com  barras  de  silicone), apenas por causa da diferença nas  condiçõ es de apoio. Os alunos concluíram  também que o arco trata­se de uma estrutura  que apresenta rigidez pela forma, tendo uma  maior  rigidez  à flexã o  que  uma  viga  de  mesma altura. 

Figura 2.12 ? Arco biarticulado  Figura 2.13 ? Arco biengastado 

TRELIÇ A  Ao estudar o comportamento estrutural  de treliças, os alunos chegaram à conclusão   que  se  os  carregamentos  forem  aplicados  nos nós, as barras das mesmas podem estar  submetidas à compressã o, como no exemplo  da Figura 2.14, ou à tração (Figura 2.15).  Concluíram também que, em alguns casos,  algumas barras não  sofrem nem compressão ,  nem tração , ou seja, simplesmente nã o estão

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tensionadas.  No modelo da Figura 2.14, as barras  LAJE  foram feitas com borracha, o que propiciou a  identificação  das  barras  comprimidas  por  Vários modelos de lajes, com diferentes  causa  da  flambagem.  O  grupo  de  alunos  formas  e  texturas,  feitos  com  borracha,  logo  constatou  que  na  prátcia,  esta  acetato, cortiça etc. foram elaborados com o  flambagem não  deve ocorrer para não  levar  objetivo de se analisar as deformadas das  a estrutura ao colapso e que, por isso, as  mesmas. As Figuras 2.16 a 2.18 apresentam  barras  comprimidas  das  treliças,  além  de  alguns dos modelos montados com borracha,  rígidas, devem ser suficientemente robustas  simulando painéis de uma laje maciça que  para evitar a ocorrência de flambagem das  sofre flexã o apenas em uma direção? de uma  mesmas.  laje  nervurada  (grelha)?  e  de  uma  laje  Por outro lado, os estudantes deduziram  cogumelo, respectivamente.  através do modelo da Figura 2.15, onde os  Modelos como estes proporcionam um  membros  tracionados  da  treliça  foram  maior  aprofundamento  nas  propriedades  e  montados  com  elástcios,  que  as  barras  características dos diversos tipos de lajes,  submetidas à tração podem ser substituídas  além de consolidar o conceito de punção  e  por cabos, quando o projeto arquitetônico  comprovar que os elementos de lajes sofrem,  permitir.  basicamente, flexão . 

Figura 2.14 ? Treliça (barras comprimidas)  Figura 2.16 ? Laje maciça (felxão em uma  direçã o) 

Figura 2.15 ? Treliça (barras tracionadas)  Figura 2.17 ? Laje nervurada (grelha)

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a  pensar  nas  cascas  de  translação  e  revolução  como  associaçõ es  contínuas  de  arcos,  tendo,  portanto,  características  e  comportamentos  semelhantes  aos  destes  elementos. 

Figura 2.18 ? Laje cogumelo  Figura 2.20 ? Casca de revolução 

MEMBRANA  Figura 2.19 ? Casca de translação  CASCA  As  cascas  são   estruturas  que  possuem  riqueza de forma e fazem parte do grupo de  elementos estruturais que apresentam rigidez  pela  forma,  pelo  fato  de  trabalharem  basicamente  à  compressão .  Os  alunos  montaram, na maioria das vezes, exemplos  de  cascas  de  translação   e  de  revolução ,  como os mostrados nas Figuras 2.19 e 2.20,  respectivamente.  A  partir  de  modelos  flexíveis como os exibidos nestas figuras,  verificaram que os elementos de cascas sã o  bastante  eficientes  quando  usados  como  coberturas, pois os mesmos apresentam uma  boa  resposta  quando  sujeitos  a  carregamentos distribuídos. Por outro lado,  os alunos constataram que as cascas não  sã o  muito  eficientes  quando  submetidas  a  carregamentos concentrados, o que os levou 

26  Conclusõ es  análogas  foram  encontradas  quando  modelos  estruturais  de membranas foram confeccionados, ou  seja, que as membranas não  são  muito  resistentes a cargas concentradas e são,  geralmente, utilizadas, em coberturas. A  Figura 2.21 exibe um modelo de estrutura  de membrana desenvolvido pelos alunos. 

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3. Conclusõ es  O  uso  de  materiais  flexíveis  na  modelagem de sistemas estruturais, para o  auxílio na compreensão  do comportamento  estrutural  de  seus  elementos,  mostrou­se  bastante  eficiente,  determinando  de  modo  qualitativo a tendência de deslocamento de  vigas, colunas, cabos, arcos, treliças, lajes,  cascas  e  membranas.  Este  procedimento  possibilitou  a  anális e qualitativa  das  deformadas  desses  elementos  estruturais  básiocs,  encontrados  na  prática  da  construção civil, por meio da visualização  dos seus deslocamentos.  Aspectos  dos  trabalhos  apresentados  pelos estudantes do primeiro período letivo  da Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da  UFRJ  foram  apresentados  e  conclusõe s  formuladas. Estas experiências fazem parte  da  avaliação  feita  pelo  professor  da  disciplina  ?Modelagem  dos  Sistemas  Estruturais? que, a cada período, tornam­se  mais produtivas e ricas.  Agradecimentos  Os autores agradecem a todos os alunos  das disciplinas ?Composição  e Modelagem  das Estruturas? e ?Modelagem dos Sistemas  Estruturais?, desde o ano letivo de 2004 até  a  presente  data  e,  também,  ao  professor  Adolpho Polillo, criador e idealizador das  citadas disciplinas.  Referências  L. & SAWYERS, H. K., ?Structure  and  Architectural  Design?,  Market  Publishing  Davenport,  4th  Edition,  Iowa,1993.  [2]  ENGEL, H., ?Sistemas de Estructuras  /Sistemas  Estruturais?,  Editorial  Gustavo Gilli, Barcelona, 2001.  [3]  HILSON,  B.,  ?Basic  Structural  Behaviour  ­Understanding  Structures  From  Models?,  Thomas  Telford,  London, 1993.  [4] MIRET, E. T., ?Razon Y Ser de los  Tipos Estructurales?, Consejo Superior  de Investigaciones Científicas ? Instituto  de Ciencias de la Construcción Eduardo  Torroja, 9.a edición, Madrid, 1998.  [5] MOORE,  F.,  ?Understanding  Structures?,  McGraw­Hill  Co.,  New  York, 1998.  [6] POLILLO, A., ?Consideraçõ es sobre o  Ensino  de  Estruturas  nos  Cursos  de  Formação  de Arquitetos?, Sedegra­Rio,  Rio de Janeiro, 1968.  [7] REBELLO, Y. C. P., ?A Concepção  Estrutural  e  a  Arquitetura?,  Zigurate  Editora, Sã o Paulo, 2001.  [8]  SALVADORI, M. G. & TEMPEL,  M.,  ?Architecture  and  Engineering:  An Illustrated Teacher?s Manual On  Why Buildings Stand Up?, Salvadori  Educational  Center  On  The  Built  Environment  (SECBE),  3rd  edition,  New York, 1983.  [9]  SALVADORI, M. & HELLER, R.,  ?Structure  in  Architecture?,  Prentice  Hall, 3rd edition, New Jersey, 1983.  [10]  SALVADORI, M. G., ?The Art Of  Construction: Projects and Principles  for  Beginning  Engineers  and  Architects?,  Chicago  Review  Press,  3rd edition, New Jersey, 1990.  [11]  SANTOS, J. A., ?Sobre a Concepção,  o Projeto, a Execução e a Utilização  de Modelos Físicos Qualitativos na  Engenharia  de  Estruturas?,  Tese  de  Mestrado, USP, 1983.  [12]  SCHODEK,  D.  L.,  ?Structures?,  Prentice Hall, 4th edition, New Jersey,  2001.

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[13]  VASCONCELOS, A. C., ?Estruturas  [14]  WILSON, F., ?Structure: The Essence  Arquitetônicas:  Apreciação  Intuitiva  of  Architecture?,  Van  Nostrand  das  Formas  Estruturais?,  Studio  Reinhold,  Expanded  Edtion,  New  Nobel, São  Paulo, 1991.  York,  1983.

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Modelo Simplificado na Determinação da  Velocidade do Som em Misturas Bifásicas  António Fliipe Falcão  de Montalvã o 

Faculdade de Ciências Exatas e Tecnológicas, Uiversidade Iguaçu  AV. Abílio Augusto Távora, 2134, Nova Iguaçu,RJ, B  razil  Phone: 55 24 24442313, email: filipe_montalvao@hotmail.com 

Resumo  O objetivo deste trabalho foi desenvolver um modelo simples da determinação da velocidade  do som em misturas bifásicas de gás e líquido. Através de uma modelagem conhecida da  literatura, dimensionou­se e construiu­se um convergente/divergente do tipo Venturi para ser  utilizado na determinação experimental da velocidade do som. Utilizando trêst ipos de gás e  água, realizaram­se experiências medindo­se a quantidade de gás e líquido e determinou­se a  partir das condições de escoamento bloqueado a velocidade do escoamento na seção  convergente do Venturi. A partir destas medidas, desenvolveu­se um modelo empírico e  comparou­se o modelo com modelos de outros pesquisadores.  Palavras­chave: Velocidade do som, bifásico, escoamento, gás­líquido. 

1. Introduçã o  Escoamentos bifásiocs, gás­líuqido, são  amplamente observados, como por exemplo,  em processos industriais e em sistemas de  tratamento  de  efluentes.  Processos  para  oxidação de líquidos, utilizam gás oxigênio  e ozônio em meio líquido. Na maioria das  vezes  estes  processos  desenvolvem  escoamentos bifásicos através de dutos ou  reatores.  Processos  remoção  de  compostos  no meio líquido, por ?stripping?, utilizam  nitrogênio  ou  dióxido  de  carbono  no  desenvolvimento  de  escoamento  bifásioc.  Processos de aeração de efluentes utilizam o  oxigênio  ou  o  ar  em  meio  líquido  para  oxigenação dos efluentes como processo de  tratamento  dos  mesmos.  Processos  de  correção de pH de águas e efluentes utiliza  em  muitos  casos  a  injeção  de  dióxido  carbono  gasoso  no  meio  líquido.  Escoamentos bifásico, água e vapor de água  são  usualmente encontrados em sistemas de  geração  de vapor e água quente. Atualmente  existem  dificuldades  no  dimensionamento  de dutos e sistemas de medida de vazã o para  escoamentos bifásiocs. Velocidades sônicas  podem  ser  atingidas,  com  uma  certa  freqüência,  em  escoamentos  bifásiocs  no  interior de instalaçõ es hidráulicas. De uma  maneira geral, instalaçõ es para escoamentos  bifásiocs,  não   levam  em  consideração   o  aumento da perda de carga devido às duas  fases  e  possíveis  bloqueios  devido  ao  atingimento de velocidades sônicas no meio.  Neste  estudo,  desenvolveu­se  uma  alternativa  na  determinação  da  velocidade  do som para misturas bifásicas, gás­líuqido,  ou para fluidos em escoamentos bifásiocs.  Através de  um  convergente/divergente,  do  tipo Venturi, mediu­se experimentalmente o  limite máximo da vazão  da mistura bifásiac  na restrição do convergente, ou seja, a partir  do ponto de escoamento bloqueado, mediu­

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se  a  vazão   de  gás,  líquido  e  de  outras  variáveis inerentes ao processo. Ajustou­se  assim  um  modelo  empírico  a  partir  das  medidas  experimentais  nas  diversas  condiçõ es  de  escoamento.  O  modelo  desenvolvido  foi  comparado  com  modelos  de outros pesquisadores.  2. Revisã o bibliográfica  De uma maneira geral, a velocidade do  som, em um dado escoamento monofásioc,  pode ser definida pela relação abaixo, onde,  v  é a  velocidade  do  fluido  e  dP/dv  o  gradiente de pressão  em relação ao volume  específico  do  fluido,  ao  longo  do  escoamento. 

2  2  a  = ­v  .( dP/dv )  Nos  casos  de  escoamento  bifáisco,  a  caracterização de velocidade sônica é mais  complexa  do  que  para  escoamentos  monofásiocs.    Este  assunto  tem  sido  estudado  por  diversos  autores.  Normalmente as relaçõ es são  determinadas  levando­se  em  conta  a  velocidade  sônica  dita ?congelada?, onde o fluido não  possui  tempo para responder à perturbação imposta,  permanecendo  a  sua  fração  mássica  constante.  A seguir, mostram­se diversas  relaçõ es  que  determinam  as  velocidades  sônicas de misturas de gás em líquido e as  hipóteses consideradas em cada uma delas.  Wijgaarden [1] desenvolveu um modelo  que considera que as ondas de choque e as  bolhas de gásm  ovimentam­se com a mesma  velocidade do fluido, que a pressão  no gás é  a mesma que a do fluido, que o escoamento  é isotérmico, que  é muito menor que 1 e  que não  existe transferência de massa entre  as fases. 

a2 = P  / ( m .  )  Onde,   é a massa específica média do  m  fluido  bifásioc,   a  razão   entre  a  vazão  volumétrica de gás e a vazão  volumétrica  total e P, a pressão  absoluta doescoamento.  Yih­Yun  Hsu  [2]  desenvolveu  um  modelo, a seguir, considerando escoamentos  borbulhantes sem mudança de fase, a fase  gá ssegue a equação dos gases perfeitos, o  líquido  é incompressível  e  a  razão   de  escorregamento  entre  as  fases  não   é em  função  da pressão . 

2  2  2  a = [(1­x). g + x. L ] .R T.  /(x.  L)  g 

Onde, R é a constante do gás ,Tg a  temperatura do gás ,x a razão  entre a massa  de  gás e  a  massa  total, g  é a  massa  específica do gáse    a massa específica do  L  líquido.  A  relação  obtida  por  Henry  [3]  é  experimental, válida para sistemas bifásiocs,  ar e água, a pressõ es de 0,1 a 1 MPa  e  fraçõ es de vazios de até 0,5. Onde,  é a  fração de vazios, ou seja a razã o entre o  volume  de  gás e  volume  total  em  uma  determinada seção  do escoamento,  CpL é o  calor  específico  do  líquido,  Cvg  o  calor  específico do gása volume constante, Cpg o  calor específico do gása pressão  constante e  aL a velocidade do som na fase líquida. 

2  ]­1.n.P/ a =[   + .(1­ ). L/ g + a1 L 

onde :  2  2  a1 = [(1­ ) + .(1­ ). L / g ].n.P (/ g aL ) 

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de  baixa  freqüência,  e  obteve  a  seguinte  expressão : 

2  2  2  .(1­ ). L .aL2 ] ­1  a = k.P.aL . [(1­ ) .K.P +

onde :  k = Cpg / Cvg  Nguyen [4] considerou que a interface de  uma fase interage como uma parede elástcia  com a outra fase, nã o existem mudanças de  fase, o sistema é unidimensional, as paredes  são   rígidas  e  as  forças  de  atrito  sã o  desprezíveis. 

­1  a = [ (1­ )  / aeL +   /aeg ]  onde: 2  2  ­0,5  aeL = [ (1­ ) / aL  +  . L /( g.ag ) ]  2  2  ­0,5  aeg = [  / ag  +(1­  ) g /( L. aL ) ]  ag é av elocidade do som na fase gás.  Picard [5] considerou o fluido no seu  estado  congelado  (não   existe  tempo  para  transferência de calor e massa entre as duas  fases), fração másisca constante, entropia do  gás e  líquido  ao  longo  de  uma  linha  isentrópica  da  mistura  e  apresentou  o  modelo: 

2  2  2  ?1  a = (1/  ) .[(1­x) (vL / aL) + x. (gv /ag) ]  m 

Onde  as  variáveis  vg  e  vL  são ,  respectivamente, o volume específico do gás  e do líquido.  Thang [6] considerou escoamento através  de  um  Venturi,  do  tipo  adiabátcio,  unidimensional,  com  razão   de  escorregamento  constante  e  sem  transferência de massa entre as duas fases. 

0,5  a = [ P1 / (   . 1 ) ] . (1 ­ 1 + 1 / rP)  m1  onde  as  variáveis  com  subscrito  1,  são   relacionadas à entrada do Venturi, rP = P/ P1  e  P a  pressã o do escoamento na restrição  do Venturi. 

3.0 ­ Procedimento experimental  Montalvão  [7] demonstrou como se pode  obter  escoamento  bloqueado  a  partir  de  misturas bifásiacs de gás­líuqido, escoando  através  de  bocais  convergentes/divergentes.  Assim,  dimensionou­se  e  contruiu­se  um  convergente/divergente, do tipo Venturi, de  maneira  a  obter­se  um  escoamento  bloqueado na restrição do mesmo. A partir  da  construção   do  Venturi  montou­se  um  aparato experimental, no qual se fez passar,  pelo Venturi, uma mistura bifásiac.  Parâmentos como pressão, temperatura,  vazão  de gás, vazão  de líquido e diferencial  de  pressão   foram  medidos  para  diversas  condiçõ es  de  vazão   de  gás e  líquido.  A  figura  1  mostra  desenho  esquemátioc  do  Venturi e a posição  onde as variáveis acima  foram medidas.

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Figura 1 ­ Desenho esquemátioc do escoamento bifásico atravésd o Venturi 

A  avaliação  da  velocidade  do  som  deu­se  na  restrição  do  Venturi.  Por  definição ,  um  escoamento  atinge  a  velocidade do som quando o mesmo se  torna em regime bloqueado, ou seja, as  condiçõ es a montante da seção avaliada  não  interferem nas condiçõ es a jusante da  mesma. Assim, ao atingir­se a velocidade  do  som  na  restrição,  as  condiçõ es  a  jusante  do  Venturi  permanecem  inalteradas,  ainda  que  se  alterem  as  condiçõ es a montante do Venturi. Assim  o escoamento bloqueado serve de divisor  entre  escoamento  subsônico  e  sônico.  Durante o experimento, consideraram­se  apenas  as  mediçõ es  para  escoamento  bloqueado,  avaliando­se  para  estas  condiçõ es a velocidade do escoamento na  restrição.  Considerando­se a vazã o de água, gá,s  pressão  a montante, pressã o na restrição  do Venturi, e o diâmetro na restrição , e  considerando  a  hipótese  de  que  a  velocidade  do  líquido  na  restrição  é  idêntica à da água, ou seja, não  existe  escorregamento  entre  as  duas  fases,  determinou­se  para  cada  condição  de  escoamento  bloqueado  a  velocidade  da  mistura  na  restrição.  O  procedimento  seguinte mostra como foi determinada a  velocidade  da  mistura  bifásiac  na  restrição  e velocidade do som, a partir  das medidas experimentais de pressão  a  montante do convergente, diferencial de  pressã o  no  convergente  do  Venturi,  temperatura da mistura, vazão  de gás e  vazão  de lqíuido.  A  partir  da  medida  da  pressão   na  restrição , PR = P + dP, a vazão  mássica  do  gás,  mg,    e  a  temperatura,  T,  determinou­se  a  vazão   volumétrica  do  gá sna restrição atravésd a relação: 

Qg = mg . (R. T / PR)  (3.1)  onde, R éa constante do gás.  A  vazão   volumétrica  da  mistura  na  restrição   é  igual  à  soma  da  vazã o  volumétrica de gás pela vazã o de líquido,  obtendo­se: 

Q = QL + Qg  (3.2) 

A velocidade do escoamento bifásico na  restrição  é determinada pela razão  entre a  vazão  totale a áera da restrição:  v =Q   / A  (3.3) 

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mistura. A fração de vazios foi o parâmetro  utilizado  no  modelo  desenvolvido  neste  trabalho. Relacionando assim a velocidade  do  som  como  uma  função  da  fração  de  vazios,  Amand  [8]  determinou  experimentalmente  a  fração  de  vazios, ?  num escoamento bifásioc disperso de ar em  água  num tubo horizontal e relacionou este  fator com razão volumétrica, .    Para  valores de  <0,90  e valores de vazão  másica de líquido entre 1000 e 4200 Kg/h,  Amand o bteve a seguinte relação,

 = 0,83 . (3.4) 

onde = ( QL + Qg)/Q  O valor 0,83 da equação  3.4 é chamado  de coeficiente de Amand.  Esta relação tem  uma incerteza estimada em 5% no ajuste do  coeficiente  em  relação  aos  resultados  experimentais obtidos pelo autor.  A  figura  2.0  mostra  um  desenho  esquemático  do  aparato  experimental.  Fazem  parte  deste  aparato,  o  Venturi  de  teste, uma placa de orifício a montante do  Venturi para medir a vazão  de água, um  rotâmetro para medir a vazão  de gás , um  orifício de injeção de gás a montante do  Venturi e uma bomba de água. Os testes  foram realizados com três diferentes gases,  ar, oxigênio e ozônio. No caso dos testes  com oxigênio, o gás utilizado foi alimentado  a partir de um tanque de líquido criogênico e  vaporizado antes de passar pelo rotâmetro.  No caso do ar, utilizou­se um cilindro de ar  comprimido  com  ar  seco.  No  caso  do  ozônio, utilizou­se um gerador de ozônio de  até 01% em massa ap artir do oxigênio.  O Venturi foi projetado para atender às  condiçõ es de escoamento de vazão  de água  3  3  até 4 m  /h. O  /h e vazã o de gása té 2,0 Nm  diâmetro na entrada do Venturi é de 27,8  milímetros, na  restrição de 7,0 mm  e na  saída de 27,8 milímetros. Os ângulos do  convergente  e  divergente  são   respectivamente  de  21  e  11  graus.    O  comprimento  total  do  Venturi  é de  180  milímetros.    O  Venturi  foi  fabricado  em  acrílico  transparente,  podendo­se  assim  visualizar  o  escoamento  bifásioc.      Para  medir as pressõ es na entrada (1) e restrição  (2)  do  Venturi,  foram  feitas  tomadas  de  pressã o com diâmetro de 1,0 mm no corpo  do Venturi.  Na medida de vazã o de água utilizou­se  uma placa de orifício do tipo ?Corner Taps?,  construída segundo as normas ISO com uma  incerteza  estimada  no  coeficiente  de  descarga de 2 %. No diferencial de pressão   utilizou­se um transmissor diferencial com  incerteza estimada em 0,25 % do fundo de  escala.  Considerando­se  as  flutuaçõ es  durante a medida de vazão , estimou­se que a  incerteza nesta medida foi de 2,9 % .Na  medida  de  vazão   de  gás  utilizou­se  um  rotâmetro  Brooks  previamente  calibrado  contra um padrão , rastreado pelo laboratório  de vazão  do IPT, referência nacional.  Considerando­se  as  incertezas  dos  instrumentos auxiliares e as flutuações na  medida, estimou­se a incerteza de 2,7 % na  medida  de  vazão   de  gás . Na  medida  de  pressã o na entrada do Venturi utilizou­se um  medidor do tipo  Bourdon, com fundo de  escala de 700 kPa . O manômetro foi aferido  contra um padrã o secundário rastreado pelo  INMETRO. Considerando as flutuaçõ es na  indicação   da  pressão ,  estima­se  uma  incerteza de 7 kPa nesta medida. Na medida  de pressão  na restrição do Venturi, utilizou­  se uma coluna diferencial de mercúrio para  pressõ es  até 100  kPa    e  para  pressõ es  superiores utilizou­se um medidor do tipo  Bourdon com fundo de escala de 250 kPa.  O  medidor  diferencial  de  mercúrio  com  incerteza  de  5  mm  Hg,  apresentou  uma  flutuação na medida de  20 mm Hg em  certos  casos,  obtendo­se  uma  incerteza

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conservativa de 2,8 kPa.  A utilização do  Os  resultados  apresentados  foram  medidor de fundo de escala de 250 kPa nã o  avaliados para um grau de confiabilidade de  apresentou  flutuaçõ es  mensuráveis,  95,4 % dos casos.  considerando­se a incerteza da medida de  2 % do fundo de escala, 5,0 kPa. 

Figura 2 ? Desenho esquemático do aparato experimental  4.0 ­ Resultados experimentais 

A  avaliação  experimental  foi  realizada  para diferentes vazõ es de água e de gás ,um  total  de  52  pontos  experimentais  foram  considerados, nas condiçõ es de escoamento  bloqueado.  O  gás  foi  injetado  numa  distância de 0,25 m am  ontante do Venturi.  A montante e a jusante do Venturi foram  colocados trechos retos em acrílico, sendo  possivel visualizar o escoamento. Observou­  se que o escoamento a montante e a jusante  do  Venturi  foi  do  tipo  borbulhante  homogênio em todas as condiçõ es de teste.  A temperatura média do gás e do líquido  durante os experimentos foi de 20 Celsius. A  pressã o absoluta do escoamento na restrição  variou entre 50 e 150 kPa.  A figura 3 mostra um gráifco com os  resultados  experimentais  da  medida  de  velocidade em função da fração de vazios.  No eixo das abscissas têm­se a fração de  vazios e no eixo das ordenadas, a velocidade  da  mistura  na  restrição  do  Venturi.  Os  resultados  experimentais  representam  a  velocidade do escoamento apenas para os  casos de escoamento bloqueado. Assim, a  velocidade  acima,  representa  a  velocidade  do som na mistura bifásica.

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50  40  Velocidade ­ [m/s] 30  20  10  0  0,00  0,10  0,20  0,30  0,40  0,50  0,60  Fraçã o de Vazios 

Figura 3 ? Resultados experimentais  Uma  equação  foi  desenvolvida  para  representar  analiticamente  os  valores  da  velocidade do som em função da fração dos  vazios. Utilizando­se o método dos mínimos  quadrados  no  ajuste  dos  coeficientes  aos  pontos  experimentais,  determinou­se  o  seguinte modelo: 

­ / 0,13  a =2 0 + 55. e  Determinou­se  a  incerteza  dos  pontos  experimentais  em  relação  ao  modelo,  obtendo­se a incerteza de 2,5 m/s para 95,4  % dos casos.  Este modelo é válido para frações de  vazios entre 0,1 e 0,6, temperatura próxima  a 20 Celcius e pressão  absoluta de 50 a 150  kPa. 

5.0 ­ Conclusõe s  A figura 4 mostra um gráifco com o  resultado do cáluclo da velocidade do som  em função da fração  de vazios, a partir dos  diversos modelos encontrados na literatura.  Pode­se verificar que a velocidade do som  para frações de vazio entre 0,3 e 0,6 é  aproximadamente entre 20 e 25 m/s para a  maioria dos autores. A incerteza no valor da  velocidade  do  som  aumenta  para  baixos  valores de fração de vazios, ou seja, para  baixas quantidades de gás na mistura. O  modelo  de  Nguyen,  mostrado  na  figura,  distancia­se  um  pouco  dos  demais.  Ao  comparar  o  modelo  desenvolvido  neste  trabalho  com  os  demais,  verifica­se  que,  para valores de fração de vazios inferiores a  0,2, o modelo desenvolvido tem tendência a  distanciar­se dos outros. Considerando­se a  incerteza do modelo desenvolvido, pode­se  afirmar que ele tem a mesma tendência dos  demais, quando observamos o modelo entre  as fraçõ es de vazio entre 0,3 e 06, .  A proposta deste trabalho foi desenvolver  um modelo simplificado. Comparando­se o  procedimento de cáluclo desenvolvido neste  trabalho  com  os  demais  autores,  pode­se  afirmar  que  o  modelo  responde  tão   bem 

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como  os  demais  e  tem  a  vantagem  da  simplicidade.  60 

50  Velocidade do som ­ m/s  40  30  20  10  Montalvão   Ngugen 

Borisov  Picard Henry  Yih Yun Hsu Wijgaarden    0.0  0.1  0.2  0.3  0.4  0.5  0.6  0.7  Fraçã o de vazios  Figura 4 ? Comparação entre diversos modelos 

Referências  [3]  [1]  WIJNGAARDEN,L.V.,  ?Propagation  of  shock  waves  in  bubble­liquid  mixtures?, Progress in Heat and Mass  Transfer, vol.6, 1971, p. 637­649  [2]  HSU,YIH­YUN  and  GRAHAM,  [4]  ROBERT W. ?Transport processes in  boiling  and  two  phase  Systems  :  including  near  critical    fluids?, 

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phases Systems?, Int. J. Multiphases  Flow, 7, 1981, p. 311­320  [5]  PICARD,D.J  and  BISHNOI,P.,  ?Calculation of the Thermodynamics  Sound  Velocity  in  Two­phases  System?, Int. J. Multiphases, 13,1987,  p. 295­308  [6]  THANG,N.T.  and  DAVES,M.,  ?Pressure Distribution in Bubble Flow  Through Venturis?, Int. J. Multiphase  Flow, 9, 1981, p. 191­210  [7]  MONTALVÃO,  A.  F.  F.,  ?Determinação  Experimental  das  Condiçõ es  de  Escoamento  Bifásico  Bloqueado  Através  de  Orifícios?,  Revista  de  Ciência  &  Tecnologia,  ISSN 1519 8022, Volume 1, N. 2, Rio  de Janeiro, Dezembro, 2001.  [8]  CHISHOLM,D.,?Two­phase flow¸ in  pipeline  and  heat  exchangers?,  Longman inc., New York, 1983.  [9]  VIEIRA, LEONARDO S. P., ?Estudo  experimental  e  simulação  de  escoamentos  bifáiscos  borbulhantes  em    bocais  convergentes  e  divergentes?, Tese de Mestrado, PUC,  Rio de Janeiro, 1991  [10]  THANG,N.T e DAVES,M.R., ?The  structure  of  bubbly  flow¸  through  venturis.?,Int. J. Multiphase Flow, 9,  1981, p. 191­210.  [11]  TAITEL,Y. and DUCKLER,A.  ?A  model  for  predicting  flow¸  regimes  transitions  in  horizontal  and  near­  horizontal  flow?,  A.  I.  Chemical  Engineers, Journal, 1976,22,p.47­55.

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Desenvolvimento de Metodologia para Análise da Confiabilidade  Humana para ser Utilizada em Salas de Controle de Usinas Nucleares 

1  2  Paulo Victor R. de Carvalho  Isaac Luquetti dos Santos  1  Cláudio Henrique dos Santos Grecco 

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condiçõ es da planta associadas com os PSFs  que acionam o mecanismo de erro. As açõ es  não  seguras são  açõ es não  apropriadas ou  açõ es  não   realizadas  quando  necessáiras,  que resultam na degradação das condiçõ es  de segurança da planta nuclear. O termo  ?açõ es não  seguras? não  implica que o ser  humano foi a causa do problema. A técnica  ATHEANA é organizada em uma estrutura  multidisciplinar.  A  figura  1  apresenta  os  elementos  que  formam  essa  estrutura.  Os  elementos  denominados  ?eventos  falhas  humanas?  e  a  definição  do  cenário  representam  o  modelo  probabilistíco  de  análise  de  risco  (Probabilistic  risk  assessment ­P RA). 

Erro Humano  EF  PR  C  A Projeto,  operaçã o e  manutençã o  PSF  Mecanismos  dos erros  Açõ es  nã o  seguras  Eventos  Falhas  Human  Decisõ es  gerenciamen  to do risco 

Condiçõ es  da planta  Definiçã o  do cenário  Figura 1­ Análsie da Confiabilidade Humana pela ATHEANA. 

5. Metodologia  A anális eda confiabilidade humana fornece  um  método  formal  e  analítico  para  identificação  de  erros  humanos  e  de  situaçõ es que podem levar ao erro. A análise  qualitativa ajuda os observadores na análise  de fatores importantes no contexto real. Os  dados, obtidos por meio de gravações de  operaçõ es reais de emergência, treinamentos  em  simuladores,  entrevistas,  questionáiros  ou  relatórios,  geram  informaçõ es  qualitativas  e  quantitativas.  Esses  dados  auxiliam na definição  do comportamento e  na  resposta  do  operador  às situaçõ es  de  emergência,  nas  análsies  detalhadas  dos  cenáiros de acidente, no desenvolvimento e  na validação de modelos cognitivos e na  avaliação  da complexidade das tarefas dos  operadores. Os dados das entrevistas e dos  questionáiros  também  são   muito  úteis  na  definição  dos  fatores  organizacionais  que  afetam o comportamento dos operadores. A  fim de interpretar estes dados e desenvolver  uma base de dados útil para a análsie da  confiabilidade humana, o uso do julgamento  especialistas se torna essencial [5]. 

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A  metodologia  proposta  para  analisar  a  plantas  industriais  é composta  por  cinco  confiabilidade  humana  dos  operadores  de  fases (figura 2). 

Fase 1: Definição do escopo da análise e   descrição do cenário do caso em estudo. 

­ Análise ergonômica do  trabalho  ­ Julgamento de especialistas  Fase 2: Definição dos eventos de  falhas humanas e/ou açõ es inseguras  Fase 3: Identificaçã o,  recuperaçã o e cnoseqüências  dos eros 

EOM  ECOM  ou EOM?  ECOM  Ferramenta  computacional  Fase 4:  THERP 

Fase 5:  ATHEANA  Quantificar asp robabilidades  dos eventos de falhas humanas  Probabilidades de  erros humanos  Incorporaçã o no modelo  probabilístíco de análise  de risco

Figura 2 ­ Metodologia para anális eda confiabilidade humana  de operadores de plantas industriais 

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erros, além de poder verificar se as bases de  dados disponíveis têm correlaçõ es com os  eventos.  Para  determinar  o  nível  de  exigência  crítico  da  tarefa,  é  necessário  considerar os seguintes itens: o número de  fases  de  operação,  ou  seja,  normal,  emergência,  acidente?  os  mecanismos  de  segurança da planta? a instrumentação e os  procedimentos de emergência. As seguintes  ferramentas  podem  auxiliar  nesta  anális:e  entrevistas com o pessoal da planta? análise  ergonômica  do  trabalho?  julgamentos  de  especialistas.  Os  especialistas  em  ergonomia,  em  confiabilidade humana e PRA auxiliam na  identificação das bases de dados relevantes,  no  reconhecendo  se  as  bases  de  dados  existentes estão  relacionadas com os eventos  de falha humana e com as açõ es inseguras  que estão  sendo modeladas, verificando as  limitações das bases de dados conhecidas  (THERP) e na identificando os tipos de erros  humanos.  Uma  vez  que  os  erros  foram  identificados, a recuperação de erro pode ser  considerada, assim como as conseqüências  dos  erros  identificados  (consideraçõ es  qualitativas).  Além  disso,  antes  da  quantificação, pode­se realizar uma análise  para redução do erro, ou seja, especificam­se  maneiras para redução da probabilidade de  erro humano ou de seu impacto no sistema.  Na  fase  4,  a  metodologia  THERP  (abordagem quantitativa) seráu tilizada caso  o erro humano identificado seja de omissão .  Nesta  fase,  a  finalidade  principal  da  ferramenta  computacional  é  analisar  e  documentar  eventos  pré­iniciadores  e  pós­  iniciadores  de  falhas  humanas  em  uma  estrutura  de  anális e da  confiabilidade  humana  consistente  e  padronizada.  Esta  ferramenta  computacional  comercial  foi  desenvolvida para facilitar a quantificação  das  probabilidades  de  erros  humanos.  O  programa  desenvolvido  comunica­se  com  duas  bases  de  dados  do  aplicativo  Microsoft®  Acess 97. Uma base de dados,  nomeada pelo usuáiro, é a base de dados que  armazena  os  dados  referentes  a  anális,e  enquanto a outra base de dados armazena as  tabelas THERP. Na fase 5, se o erro humano  identificado for de comissã o, a metodologia  ATHEANA  predirá  as  probabilidades  de  erros humanos, utilizando o julgamento por  especialista (abordagem qualitativa).  6. Conclusõe s  O objetivo deste trabalho foi propor uma  metodologia para analisar a confiabilidade  humana dos operadores de salas de controle  de  plantas  industriais,  englobando  as  exigências da téncica THERP e ATHEANA.  A  metodologia  proposta,  inicialmente,  realiza estudos qualitativos para definir e  avaliar  os  eventos  relevantes  de  falha  humana, açõ es inseguras, os contextos em  que as açõ es inseguras poderiam ocorrer e a  identificação dos erros nestes contextos. A  análise  qualitativa  é  realizada  usando  a  análise ergonômica do trabalho junto com  um processo de julgamento de especialistas.  A  estrutura  da  metodologia  permite  utilizar  duas  opçõ es  para  predizer  as  probabilidades  de  erros  humanos.  Cada  opção depende da identificação do erro. A  primeira opção  é a técnica THERP, caso  uma etapa de alguma tarefa seja omitida ou  haja uma falta da ação  (erro de omissã o).  Neste caso, um software será usado para  quantificar  as  probabilidades  de  erros  humanos.  A  segunda  opção  é  a  técnica  ATHEANA,  que  será  utilizada  caso  haja  algum desempenho incorreto de uma tarefa  ou de uma ação (erro do comissão ). Se não   houver uma base de dados apropriada para  quantificar  diretamente  os  casos  especificados, é necessária a utilização do  julgamento  de  especialistas  (ATHEANA).  Esta  abordagem  fornece  meios  razoáveis  para  quantificar  situaçõ es  onde  existem  váiras evidências indiretas.

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Agradecimentos  Os autores agradecem ao suporte propiciado  [3]  pelo  Conselho  Nacional  de  Desenvolvimento  Tecnológico  (CNPQ).  [4]  Esta pesquisa foi realizada na Divisão  de  Instrumentação e Confiabilidade Humana do  Instituto de Engenharia Nuclear ? IEN.  Referências  [5]  [1]  MEISTER, D. , 1990, ?Human Factors  in Reliability?, New York, Mc Graw  Hill.  [2]  SWAIN E GUTTMANN (1983), U.  S.  NUCLEAR  REGULATORY  COMMISION,  NUREG  1624,  ?Technical Basis and Implementation  Guidelines for a Technique for Human  Event  Analysis?,  Office  of  Nuclear 

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A Contaminação do Solo no Perímetro do  Antigo Lixão da Marambaia ? Nova Iguaçu ? RJ 

1  2  Elisabeth Rtiter , Manoel Fernando Pereira da Mota ,  3  1  Juacyara Carbonelli Campos , Marcus Antonio Ventura 

1 Universidade do Estado do Rio de Janeiro, UERJ, Faculdade de Engenharia  Departamento de Engenharia Sanitária ed o Meio Ambiente ­ Rio de Janeiro, RJ, Brasil  E­mail:ritter@uerj.Br  2 Companhia de Limpeza Urbana do Rio de Janeiro ? COMLURB  3 Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola de Química  Departamento de Processos Inorgânicos  Ilha do Fundã o ­ 12945.970 ­ Rio de Janeiro, RJ, Brasil  Resumo  Neste artigo o perfil de contaminação no solo em profundidade em trêsp ontos amostrados no  entorno do lixã o da Marambaia em Nova Iguaçu, Rio de Janeiro é discutido. Os íons  pesquisados foram: cloreto, sódio, cálcio, magnésio, potássio, amônio e níquel. A face leste  indica contaminação até 7 m de profundidade, enquanto que na face sul há indicativo até 2 m  de profundidade. A face norte apresenta as mais altas concentrações até 2,5 m e diminui  significativamente até 7m, onde novamente ocorrem concentrações de cerca de 140 mg/L de  amônio. Não há indicação de contaminação por metal pesado.  Palavras­chave: contaminação do solo, lixão, chorume 

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Tinguá,n o Estado do Rio de Janeiro, Brasil.  Desde  2003,  o  lixo  do  município  é  depositado  em  novo  local,  denominado  Central  de  Tratamento  de  Resíduos,  no  bairro de Adrianópolis, onde foi implantado  um Aterro Sanitáiro.  Em 2001 foi iniciado um processo de  recuperação do lixão  de Marambaia, no qual  sondagens geotécnicas e análises químicas  do chorume foram realizadas para embasar o  projeto de remediação da árae.  O objetivo deste trabalho, desenvolvido  por  Mota  (2005),  foi  avaliar  o  grau  de  contaminação do solo em profundidade em  três pontos no perímetro do antigo lixão ,  mediante a retirada de amostras durante a  execução das obras de remediação.  1.1 Descriçã o da área  O  lixão   ocupa  uma  áera  de  aproximadamente  200.000  m²  e  recebeu  diariamente,  durante  mais  de  vinte  anos,  cerca de 1.000 toneladas de resíduos sólidos  urbanos que compreendiam lixo domiciliar,  público,  comercial,  hospitalar  e  também  industrial dos municípios de Nova Iguaçu e  Mesquita.  O local é constituído por morros de baixa  altitude,  com  ávrores  e  arbustos  remanescentes da mata nativa. Próximo ao  lixão , existe uma antiga fábrica de tijolos, o  que demonstra que a área foi explorada por  atividade ceramista, o que fez com que o  contorno da região  do lixão  seja rodeado por  depressõ es. Ao Norte, a região  é delimitada  pelo Rio Iguaçu, distante cerca de 600 m e  entre a áera de disposição de lixo e o rio  existiam váiras depressõ es nas quais eram  encontrados  pequenos  depósitos  de  chorume.  Próximo  à entrada,  um  talude  vertical delimita a áera do lixão , em cujo pé  está implantada desde julho de 2003, uma  lagoa  para  armazenar  os  líquidos  percolados. Outra lagoa foi implantada na  face norte. A Fig. 1 apresenta uma visão   panorâmica  da  áera  em  2003. 

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Sondagens realizadas em 2001 indicaram  o  substrato  da  região   como  predominantemente  silto­argiloso,  pouco  arenoso e consistência de média a rija na  vertente sul, lado oposto ao Rio Iguaçu. No  sentido norte em direção  ao rio, o solo apesar  de sua predominância de natureza argilosa,  apresenta  também  características  arenosas.  Em  relação  ao  nível  d?água,  na  face  sul  encontrava­se a uma profundidade de 8,50  m, e na face norte a 2,60 m, região  com  características de vázrea, jáq ue estáp róxima  à estrada de terra que margeia o Roi Iguaçu.  A Fig. 2 apresenta o corte transversal  Sul­Norte.  O  corte  longitudinal  Leste­Oeste,  elaborado a partir das sondagens de 2001 e  apresentado na Fig. 3, mostrou a presença de  duas  massas  distintas  de  resíduos,  o  que  denota  a  ausência  de  qualquer  critério  técnico na ocupação da áera como vazadouro  de lixo. O maciço localizado entre as duas  massas de lixo era uma áera preservada, onde  se identificava o solo natural da região . Este  material  tinha  predominantemente  características de solo residual jovem silto­  argiloso  e  pouco  arenoso,  com  coloração  variando  de  amarelo  (mais  argiloso)  à  vermelho (mais siltoso). 

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Figura 3 ­ Corte Longitudinal Leste­Oeste  Esta  área  foi  toda  utilizada  como  empréstimo  nas  obras  de  recuperação.  A  vertente leste, hoje ocupada por um sítio  com  plantação  de  cítricos,  mandioca  e  cocos, é a áera que merece mais atenção em  relação  à  possibilidade  de  contaminação ,  pois  o  nível  d?água  encontra­se  bem  próximo à superfície. Antes da ocupação da  áera pelo vazadouro de lixo, existia nesta  áera  adjacente  um  brejal  que  foi  progressivamente  aterrado  com  solo  para  implantação da lavoura. A espessura de lixo,  na época da sondagem, variou de 20 a 40 m  de profundidade.  1.2 Ar ecuperação do lixão da Marambaia  O processo de recuperação da áera da  Marambaia teve início em janeiro de 2001.  A  primeira  etapa  fez  a  regularização   de  plataformas e criação de bermas e taludes.  Na  periferia  do  aterro  foram  construídos  diques de contenção, com material argiloso,  e, na sua base, foi implantada uma linha de  drenagem periférica para os percolados, para  posterior  encaminhamento  às  lagoas  de  acumulação. Além do sistema de captação  de percolados, foi prevista a implantação de  sistema  de  drenagem  para  gases  e  um  sistema  de  drenagem  das  águas  pluviais.  Toda áera de lixo foi revestida com uma  camada de 0,60 cm de argila.

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situadas nas faces norte e sul do Lixã o da  Marambaia, estã o apresentadas na Tabela 1.  Para  efeito  de  comparação,  estã o  apresentados também os resultados obtidos  no ano de 2001 da EESC­USP (Escola de  Engenharia de São  Carlos da Universidade  de Sã o Paulo) de amostras coletadas nestas  regiõ es.  Os pontos C1 e C2 citados na  tabela encontram­se localizados no mapa da  Figura 1.  3.2  Análise  química  do  líquido  intersticial  Nos furos SP­L2 e SP­B3, não  foi possível  extrair  o  líquido  intersticial  das  duas  amostras  mais  profundas,  nas  quantidades  mínimas  necessárias  para  realização  das  análises físico­químicas.  A Fig. 4 apresenta os perfis de concentração  de sódio, níquel, cálico, magnésio, potásiso  e amônio obtidos em profundidade para os  três pontos de amostragem. 

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Na +  (m g/L)  Ni total (mg/L)  0  0,02  0,04  0,06  0,08  0,1  0,12  0  100  200  300  400  500  600  0  0  Profundidade (m)  1 

2  3  4  5  6  7  SP­B3  SM ­277  SP ­L2  1  Profundidade (m)  2 

3  4  5  6  7  SP­B3  SM­277  SP­L2  (a)  (b) 

+2  +2  Ca  (mg/L)  Mg  (mg/L)  0  100  200  300  400  0  0  20  40  60  80  100  120  0 

1  Profundidade (m)  4  Profundid 4  5  6  7  SP­B3  SM­277  SP­L2 5 

6  7  (c)  52  1  2  ade (m)  2  3  3  SP­B3  SP­L2  SM­277 

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K +    (m g /L )  0  0  100  200  300  400  0  0 

1 1  2 2  3 3  SP­B3  SM­277  SP­L2  Profundidade (m)  4  5 

6  Profundidade (m)  4  5  6  7 7  (e)  NH 4+   (mg/L)  50  100  150  200 

SP­B3  SM­277  SP­L2  (f)  Figura 4 ­ Perfis de concentração de acordo com a profundidade: (a) sódio (b)  níquel (c) cálico. (d) magnésio ( e) potássio ( f) amônio 

4. Discussã o dos resultados  4.1 Chorume  Observa­se pela anális e dos resultados,  que as amostras de chorume mais recentes,  coletadas após a desativação do Lixão  da  Marambaia,  apresentam  resultados  de  matéria orgânica (valores de DBO e DQO)  significativamente menores que os obtidos  em maio de 2001, quando o aterro estava em  operação.  Na face norte, próxima ao Rio Iguaçu,  houve uma redução, em termos de DQO, de  47%.  Na  face  sul  do  aterro,  a  DQO  apresentou redução de até 72% em relação  ao valor inicialmente determinado.  A relação DBO/DQO pode ser utilizada  como  parâmetro  de  avaliação  de  biodegradabilidade  de  efluentes.    Quanto  maior essa relação  (valor máximo é igual a  1), há a indicação  de um maior nível de  biodegradabilidade.  As amostras coletadas  na face norte mostram valores que indicam  chorume com boa biodegradabilidade (0,47  e 0,76).  Já para a face sul, os valores  obtidos  revelam  um  chorume  com  muito  baixa biodegradabilidade (0,09 e 0,04), com  exceção  da  última  amostragem  (0,89).  Todos  os  parâmetros  medidos  na  última  amostragem estã o com valores bem abaixo  dos anteriores, o que pode ser resultado das  açõ es de remediação  da árae ou chuva.  Os  demais  parâmetros  medidos  nas  amostras mais recentes (outubro de 2004)  indicam valores significativos. São  valores  diferentes dos referidos por Tchobanoglous  et  al    (1993)  Christensen  et  al,  (1989)  também citados em D?Almeida e Vilhena  (2000) e típicos de aterros em operação  em  países  de  clima  temperado.  Os  valores  obtidos para o nitrogênio amoniacal estão  de  acordo  com  medidas  realizadas  em  chorumes  oriundos  de  outros  aterros  brasileiros:  500  mg/L  para  o  Aterro  de  Brasília (Junqueira, 1999)? 1500 mg/L para  o Aterro Metropolitano de Gramacho (Ritter  et al, 2002)? 1200 mg/L para o Aterro de  Londrina e 1600 mg/L para o Aterro de  Biguaçu­SC (Castilhos Jr, 2005).

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Das análsies de metais pesados, todos os  resultados  apresentados  estão   abaixo  dos  limites  estabelecidos  na  Resolução  CONAMA  357,  para  lançamento  de  efluentes: 0,2 mg/L de Cd total e 0,5 mg/L  de chumbo total (Brasil , 2005).  4.2 Solo  Os  metais  pesados  analisados  apresentaram  concentraçõ es  muito  baixas?  ferro (menor do que 0,11 mg/L), chumbo  (menor do que 0,4 mg/L), cromo (menor do  que 0,2 mg/L),  e cádmio (menor do que  0,02 mg/L), inferiores aos estabelecidos pela  Portaria  nº  518,  do  Ministério  da  Saúde  (Brasil, 2004).  4.2.1 SM ?277 ?F ace Sul  Na  área  do  furo  de  sondagem  SM­277,  situada na face sul do aterro na vertente  oposta  ao  Rio  Iguaçu,  o  solo  apresenta  características  de  silte­argiloso,  pouco  arenoso e de consistência de média a rija,  passando a dura nos trechos mais profundos.  O nível d?água foi atingido com 8,50 m. As  medidas  de  concentração  de  cloreto  só  foram possíveis nas amostras a cerca de 2,5  m e 4 m de profundidade, indicando valores  de 45 e 27 mg/L, respectivamente.  A concentração de sódio apresentou um  comportamento  mais  irregular,  mas  indicando que uma possível migração possa  estar ocorrendo até 7 m de profundidade. No  entanto, as concentraçõ es em profundidade  são   relativamente  baixas  quando  comparadas com as do chorume (930 mg/L)  presente na lagoa mais próxima. Analisando  os  valores  obtidos  para  cloreto  nas  2  amostras  a  2,5  e  4  m  de  profundidade,  verifica­se  que  são   valores  extremamente  baixos  quando  comparados  com  a  concentração   de  1413  mg/L  da  lagoa  de  chorume. As concentraçõ es de níquel, cálico  e  magnésio  estão   baixas,  não   indicando  contaminação .  As  concentraçõ es  de  nitrogênio amoniacal e potásiso, medidas no  solo na profundidade de 2,5 m, indicam que  um possível processo difusivo possa estar  ocorrendo.  No  entanto,  medidas  de  concentração, efetuadas na água amostrada  do  piezômetro  instalado  a  6,5  m  de  profundidade,  não   indicaram  qualquer  contaminação (Matos, 2005).  4.2.2 SP ?L2 ? Face Leste  Na área do furo de sondagem SP­L2,  situada na face leste do aterro junto ao sítio  de plantação de cítricos e cocos, a sondagem  atingiu  19,40m  com  o  nível  d?água  encontrando­se  a  0,60m  da  superfície.  O  solo apresenta características de areia fina a  média argilosa até 2,70m e de solo residual  jovem,  siltoargiloso  na  continuidade  da  sondagem. As medidas de concentração de  cloreto só foram possíveis nas amostras a  cerca de 5 m e 6,5 m de profundidade,  indicando  valores  de  72  e  405  mg/L,  respectivamente.  As concentraçõ es de sódio e potásiso são   significativas  nas  duas  primeiras  amostragens (até 2,5 m de profundidade) e a  7  m  de  profundidade,  o  sódio  está com  concentraçõ es  superiores  a  500mg/L  e  o  potássio acima de 200 mg/L. A concentração  de  cloreto  é 405,19  mg/L  nesta  mesma  profundidade  e  cálico  e  magnésio  acompanham  a  mesma  tendência.  As  concentraçõ es  de  cálico  e  magnésio estão   mais elevadas. Existe, portanto, um processo  de  contaminação  em  curso,  pelo  longo  tempo de migração  do chorume, junto ao pé  deste talude, que se constitui na base do  principal maciço de lixo do aterro com cerca  de 40m de altura de lixo. Por outro lado, os  valores de amônio estão  altos somente na  superfície.  E  o  níquel  apresentou  valores  acima  do  permitido  pela  legislação ,  na  profundidade 7 m. Um aspecto importante  deste  local  é  que  o  lençol  freátioc  é  superficial  e  medidas  efetuadas  em  piezômetro  instalado  neste  furo  (Matos,2005)  indicaram  contaminação   das  águas subterrâneas.

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5. Conclusõe s  4.2.3 SP ?B3 ? Face Norte  A áera do furo de sondagem SP­B3 está  situada  na  face  norte  do  aterro  em  área  próxima ao Rio Iguaçu. Como o ponto SP­  B3 foi deslocado em 25,0 m em relação  ao  furo  original,  foi  realizada  análsie  tátcil­  visual, que indicou uma argila orgânica até  2,5m de profundidade, uma areia argilosa  com pedregulhos até 7,0 m e argila siltosa  até 8,3m.  O  nível  d?água  encontra­se  a  1,50m  da  superfície.  As  medidas  de  concentração  de cloreto só foram possíveis  nas amostras a cerca de 0,5 m (423 mg/L),  1,5m (10 mg/L) e 6,5 m (18 mg/L) de  profundidade.  As  concentraçõ es  de  potássio,  cálico,  magnésioe  sódio são  as mais altas até ,25 m,  e diminuem acentuadamente na camada de  areia argilosa com pedregulhos. A exceção é  +  o Na  que, apesar do indicativo de queda  com  o  aumento  da  profundidade,  ainda  apresenta valores de 88mg/L a 6,5 m de  profundidade.  As  concentraçõ es  de  cloreto  acompanham,  nas  3  amostras  medidas,  a  tendência  observada.  Considerando  a  proximidade do rio é possível que o fluxo  subterrâneo  esteja  ocorrendo  através  desta  camada em direção ao rio.  No entanto, a concentração  de nitrogênio  amoniacal apresentou valores diferenciados  e baixos superficialmente: 174 mg/L a 2,5  m, e novamente com 142 mg/L a 6,0 m de  profundidade,  indicando  claramente  contaminação   do  solo  por  chorume.  Aparentemente,  a  camada  mais  permeável  facilitou a migração do amônio para atingir  o solo residual.  O  nível  d?água  no  piezômetro  instalado  indicou profundidade de 1,5 m, porém as  análsies químicas efetuadas não  sinalizaram  nenhuma contaminação (Matos, 2005).  Foram  retiradas  amostras  de  solo  em  profundidade no perímetro do antigo Lixão ,  cujo lqíuido intersticial foi analisado.  A  face  sul  da  áera  apresenta  as  concentraçõ es  mais  baixas  quando  comparadas com as outras. No entanto, há  um indicativo que um processo de migração,  possivelmente  difusivo,  possa  estar  ocorrendo em função das concentraçõ es de  sódio, até 7 m de profundidade, e amônio e  potássio a2 ,5 m de profundidade.  Na face leste estáo correndo um processo  de contaminação. Concentraçõ es de cloreto,  sódio, cálcio, potásiso e magnésio estão  altas  até 7 m de profundidade, enquanto amônio  estáe levado somente na camada superficial.  Neste local o lençol freátioc é superficial e  já setá ocntaminado.  Na face norte, próximo ao Rio Iguaçu as  concentraçõ es  de  cloreto,  sódio,  cálico,  potássio e magnésio são  as mais altas até  2,5 m , e diminuindo na camada que existe  entre 2,5 e 7 m de profundidade. É possível  que esteja ocorrendo um fluxo através de  desta camada mais permeável em direção ao  rio. No entanto, concentraçõ es de amônio de  cerca de 140 mg/L e sódio de 88 mg/L a 6,5  m de profundidade alertam para um possível  processo de contaminação  em profundidade.  Análisse na água superficial não  indicaram  contaminação nesta face.  Nos  três  pontos  amostrados  não   há  indicação   de  contaminação  por  metal  pesado.  6. Agradecimentos  Os  autores  agradecem  a  S.A.  Paulista  pelo suporte financeiro para amostragem do  solo  e  realização  de  algumas  análisse,  e  também a Maria da Glória Marcondes, do  Laboratório  de  Geotecnia  Ambiental  da  COPPE/UFRJ,  pelas  análisse  de  amônio  efetuadas.

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Referências  [1] APHA,  AWWA,  WPCF.  ?Standard  Methods for the Examination of Water  and  Wastewater?,  20th  edition,  New  York, 1998.  [2] BRASIL, Ministério da Saúde, Portaria  o.  n 518, Qualidade da água para consumo  humano e seu padrã o de potabilidade, 25  de março de 2004.  [3] BRASIL, Ministério do Meio Ambiente,  CONAMA­  Conselho  Nacional  do  Meio  Ambiente­  Resolução  no  357,  Classificação   dos  corpos  de  água  e  diretrizes  ambientais  para  o  seu  enquadramento, bem como estabelece as  condiçõ es e padrõ es de lançamento de  efluentes, 17 de março de 2005.  [4] CASTILHOS JR, A. B (2005), coord.  Relatório  de  Rede  Prosab/FINEP  ?  ?Tratamento,  recuperação  e  disposição  integrados  de  resíduos  urbanos  com  ênfase na proteção de corpos d?água?,  178 p., Campo Grande [Set], 2005.  [5] CHRISTENSEN,  T.H.,  COSSU,R.  e  STEGMANN,R.,  ?Sanitary  landfilling:  process,  technology  and  environmental  impact?.  Academic  Press,  London,  1989.  [6] D?ALMEIDA M.L.O e VILHENA, A.,  Lixo  Municipal:  Manual  de  Gerenciamento  Integrado.  IPT  CEMPRE, 2a ed., São  Paulo, 2000.  [7] JUNQUEIRA,  F.F.  E  PALMEIRA,  E.M.  ,  ?Monitoramento  do  comportamento  de  lixo  em  células  geotecnicamente  preparadas?,  In:  REGEO?99.  Congresso  Brasileiro  de  Geotecnia  Ambiental.    pp.  428­433,  1999.  [6] MATTOS,  T.P.  ?Avaliação  da  contaminação  hídrica  no  entorno  do  antigo  lixã o  da  Marambaia  ?  RJ?.  Dissertação  de M.Sc. Departamento de  Engenharia  Sanitáira  e  do  Meio  Ambiente, UERJ, RJ, Brasil, 2005.  [7] MOTA,  M.F.P.,  Avaliação   da  contaminação do solo e o transporte de  contaminantes  no  antigo  lixã o  da  Marambaia  ?  Nova  Iguaçu/RJ.  Dissertação  de M.Sc. Departamento de  Engenharia  Sanitáira  e  do  Meio  Ambiente, UERJ, RJ, Brasil, 2005.  [8] RITTER, E., CAMPOS, J.C & GATTO,  R.L., ?The contamination level through  na  organic  soil  of  Gramacho  MSW  landfill?,  In:  Proceedings  ISC­2  on  Geotechnical  and  Geophysical  Site  Characterization, Viana da Fonseca &  Mayne (eds.), pp. 1339­1343, 2004.  [10]  TCHOBANOGLOUS G., THEISEN,  H. & VIGIL, S., ?Integrated Solid Waste  Management  ­  Enginnering  Principles  and  Management  Issues?.  Mc  Graw­  Hill, Singapore, 1993.

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Presença de Poluentes Emergentes no Meio Ambiente  Daniele Maia Bila1 e Mácria Dezotti 2  1 Departamento de Engenharia Sanitária e do Meio Ambiente ? Unviersidade do Estado do Rio  de Janeiro,CEP. 20550­900 Rio de Janeiro, RJ  dani@peq.coppe.ufrj.br  2 Programa de Engenharia Química ­ COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, P.O.  Box 68502, 21941­972, Rio de Janeiro ? RJ  mdezotti@peq.coppe.ufrj.br 

Resumo  Atualmente a presença de micropoluentes no meio ambiente quep odem causar efeitos negativos  aos humanos e outros animais tem sido amplamente discutida. A incidência de anomalias no  sistema reprodutivo de animais, câncer em humanos, a redução na quantidade de esperma ,  entre  outras,  sã o  relacionados  aos  poluentes  presentes  em  pequenas  concentrações,  principalmente, em ambientes aquáticos. Originários de atividades antrópicas sã o lançados no  meio ambiente através do descarte de efluentes domésticos e industriais. No entanto, existem  outras rotas de exposição a essas substâncias, como a agricultura e a disposição de resíduos  inadequada nos solos. Esses micropoluentes são denominados ?Poluentes Emergentes?, e  várias classes de substâncias sã o classificadas como tal, como os fármacos, produtos de uso  pessoal, desreguladores endócrinos e novos subprodutos de desinfecçã o.  Palavras chave: Poluentes emergentes, Desreguladores endócrinos, fármacos, produtos de uso  pessoal. 

1. Introduçã o  Atualmente  é grande  o  interesse  da  comunidade  científica  por  algumas  substâncias  químicas  presentes  no  meio  ambiente  em  baixas  concentraçõ es,  que  historicamente não  eram consideradas como  poluentes,  que  são   conhecidos  como  ?Poluentes  Emergentes?  e  podem  ser  definidos como qualquer substância química  natural  ou  sintética,  ou  qualquer  microorganismo que comumente não eram  monitorados  no  meio  ambiente,  mas  que  apresentam  o  potencial  de  causar  efeitos  adversos à asúde de humanos e animais.  Em alguns casos, o lançamento desses  poluentes no meio ambiente provavelmente  vem  acontecendo  ou  aconteceu  por  muito  tempo,  mas  não   eram  detectados  pelos  métodos analíticos disponíveis, sendo que  isso  somente  foi  possível  com  o  desenvolvimento de métodos analíticos mais  sensíveis.  Em  outros  casos,  a  síntese  de  substâncias químicas novas ou mudanças no  uso ou disposição de substâncias químicas  existentes criaram novas fontes de poluentes  emergentes.  Normalmente,  esses  poluentes  estão   presentes  em  concentraçõ es  da  ordem  de µg.L ­1  e ng.L  e são  introduzidos no meio  ­1 

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persistentes  e  sã o  introduzidos  no  meio  ambiente  em  quantidades  relativamente  altas. Os organismos aquáticos são  expostos  de  uma  maneira  permanente  a  estes  poluentes.  As  classes  de  substância  consideradas  como  ?Poluentes  Emergentes?  incluem  os  fámr acos, os produtos de cuidado pessoal e  de limpeza, os desreguladores endócrinos e  subprodutos da desinfecção de água potável,  que não eram conhecidos antes.  Os riscos desses micropoluentes ao meio  ambiente  podem  estar  associados  com  efeitos específicos dessas substâncias, como  por exemplo, os desreguladores endócrinos  que  são   suspeitos  de  causarem  efeitos  adversos no sistema reprodutivo de humanos  e animais. Ou, no caso dos fámr acos, o  efeito mais discutido é o desenvolvimento  da resistência bacteriana aos antibióticos. O  bromato, que é um subproduto formado na  ozonização  de  águas  naturais  contendo  brometo,  é um  composto  potencialmente  cancerígeno.  Além  de  seus  efeitos  negativos,  essas  substâncias  químicas  podem  ser  tóxicas,  sendo  que  a  resistência  à biodegradação  favorece  a  sua  permanência  por  longos  períodos de tempo no meio ambiente, sendo  assim, responsáveis por fenômenos como a  biomagnificação   na  cadeia  alimentar.  Alguns desses poluentes, mesmo que não  sejam persistentes, causam efeitos negativos  no  meio  ambiente.  Os  seus  efeitos  sã o  observados,  por  eles  serem  continuamente  introduzidos no meio ambiente, ainda que  em baixas concentraçõ es.  No momento, os pontoschave em relação  aos  poluentes  emergentes  são :  (1)  o  desenvolvimento de métodos analíticos para  sua  quantificação   em  matrizes  ambientais  complexas  (águas  naturais  e  potável,  efluentes  industriais  e  de  estaçõ es  de  tratamento de esgoto, esgoto doméstico e  sedimentos)  a  níveis  de  traços?  (2)  a  ocorrência  desses  poluentes  no  meio  ambiente?  (3)  a  caracterização   das  suas  fontes e os caminhos de lançamento no meio  ambiente? (4) a avaliação de seus processos  de transporte e destino no meio ambiente?  (5)  a  identificação   de  seus  efeitos  em  potencial  da  exposição  de  humanos  e  animais e (6) a avaliação da remoção  desses  poluentes nos processos de tratamento, tanto  nas estaçõ es de tratamento de água potável  como no esgoto doméstico.  O esgoto doméstico merece uma atenção  especial, uma vez que acaba contendo em  sua  composição  uma  grande  quantidade  dessas substâncias. O esgoto doméstico pode  conter  uma  variedade  de  poluentes  potencialmente  danosos,  devido  principalmente: · ao descarte de remédios fora da validade? · fámr acos e seus metabólitos excretados na  urina e fezes? · hormônios  naturais  (17­   estradiol,  testosterona)  e  sintéticos  (anticoncepcionais)? · produtos utilizados na limpeza doméstica  (detergentes,  desinfetantes,  entre  outros)? · substâncias  químicas  lixiviadas  de  embalagens plástcias e outras? · produtos de cuidado pessoal (cosméticos,  protetor solar, fragrâncias, etc.)? · aplicação domiciliar de pesticidas.  Assim, em função do estabelecimento da  maneira  de  viver  da  sociedade  moderna,  houve  uma  grande  mudança  nas  características  do  esgoto  doméstico.  Portanto,  os  processos  de  tratamento  de  esgoto devem ter alternativas e contemplar  também a remoção desses micropoluentes.  2. Desreguladores Endócrinos  Os desreguladores endócrinos (DE) são   uma  recente  categoria  de  micropoluentes  ambientais que interferem nas funçõ es do  sistema endócrino. Assim são  suspeitos de  causarem efeitos adversos à saúde humana e  animal,  principalmente  no  sistema  reprodutivo.  De  acordo  com  a  Environmental  Protection  Agency,  um  desregulador  1  ?agente  endócrino  é definido  como  um  exógeno  que  interfere  com  a  síntese,  secreção, transporte, ligação, ação ou  eliminação de hormônios naturais no corpo  que são responsáveis pela manutenção,  reproduçã o,  desenvolvimento  e  ou  comportamento dos organismos?.

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Os  efeitos  associados  aos  DE  sã o:  a  diminuição na eclosão  de ovos de pásaros,  peixes e tartarugas? a feminização de peixes  machos? problemas no sistema reprodutivo  em peixes, répteis, pásasros e mamíferos? e  alteraçõ es  no  sistema  imunológico  de  mamíferos marinhos. Em alguns casos esses  efeitos  podem  conduzir  ao  declínio  da  população. Em seres humanos esses efeitos  incluem  a  redução  da  quantidade  de  esperma, o aumento da incidência de câncer  de mama, de testículo e de próstata, e a  2  endometriose .  Os DE abrangem uma grande faixa de  classes  de  substâncias  com  estruturas  distintas,  incluindo  hormônios  sintéticos  e  naturais, substâncias naturais e uma grande  quantidade  de  substâncias  sintéticas.  A  Tabela  1  apresenta  algumas  substâncias  conhecidas  ou  suspeitas  de  serem  desreguladores endócrinos. Uma lista mais  completa  com  aproximadamente  560  substâncias pode ser encontrada no Anexo 1  do relatório COM (2001) 2623 da Comissão   das Comunidades Européias. 

Tabela 1. Algumas substâncias químicas classificadas como DE.  Ftalatos  Pesticidas  Dimetil ftalato (DMP)  dietil ftalato (DEP)  di­iso­butil ftalato (DIBP)  di­n­butil ftalato (DBP)  butilbenzil ftalato (BBP)  diciclohexilo ftalato (DCHP)  di­(2­etil­exil) ftalato (DEHP)  di­n­octil ftalato (DOP)  di­isooctil ftalato (DIOP)  di­iso­nonil ftalato (DINP)  di­iso­decil ftalato (DIDP)  Inseticidas:  DDT (2,2 bis­p­clorofenil­1,1,1­tricloroetano)  DDE (2,2 bis­p­clorofenil­1,1­dicloroetileno  Deltametrin  Carbofurano  Herbicidas:  Atrazina  Linuron  Pesticidas organoclorados:  Lindane (1,2,3,4,5,6­hexaclorohexano)  Fungicidas:  Vinclozolina  Carbendazime  Penconazol  Procloraz  Propiconazol  Epoxiconazol  Procimidona  Tridemorfos  Fitoestrogênios  Organoclorados  Metais Pesados  Isoflavona: daidzeína e genisteína.  Liganas: metaresinol e enterodiol  Dibenzo­p­dioxina  TCDD(2,3,7,8­tetraclorodibenzeno­p­dioxina)  TCDF (2,3,7,8­tetraclorodibenzofurano)  Cádmio, Mercúrio,  Zinco e Chumbo  Estrogênios naturais  Compostos orgânicos de estanho  Estrona  17 ­estradiol  Tributilestanho (TBT)  Trifenilestanho (TPT)  Agentes terapêuticos ef armacêuticos  Retardante de chama bromado  Dietilestilbestrol (DES)  17 ­etinilestradiol (EE 2 )  Polibromobifenila (PBB)  2,2?,4,4?­tetrabromodifenil éter (BDE 47)  2,2?,4,4?,5­pentabromodifenil éter (BDE 99)  2,2?,4,4?,6­pentabromodifenil éter (BDE 100)  2,2?,4,4?,5,5?­hexabromodifenil éter (BDE 153)  2,2?,4,4?,5,6?­hexabromodifenil éter (BDE 154)  2,2?,3,4,4?,5?,6­heptabromodifenil éter  Octabromodifenil éter (BDE octa)  Decabromodifenil éter (BDE 209)  Hexabromociclododecano (HBCD)  Tetrabromobisfenol A (TBBA  Bisfenol  Bisfenol A  Parabenos  Benzilparabeno  Isobutilparabeno  Butilparabeno  n­propilparabeno  etilparabeno  metilparabeno  Policlorados de bifenilas  Hidrocarbonetos aromáticos policíclicos  Alquilfenóis  2,4,4?­triclorobifenil  2,2?,5,5?­tetraclorobifenil  2,2?,4,5,5?­pentaclorobifenil  2,3?,4,4?,5­pentaclorobifenil  2,2?,3,4,4?,5?­hexaclorobifenil  2,2?,4,4?,5,5?­hexaclorobifenil  2,2?,3,4,4?,5,5?­heptaclorobifenil  Naftalina  Acenaftileno  Acenafteno  Fluoreno  Fenantreno  Antraceno  Fluoranteno  Pireno  Benzo[a]antraceno  Criseno  Benzo[b]fluoranteno  Benzo[k]fluoranteno  Indeno[123­cd]pireno  Dibenzo[ah]antraceno  Benzo[a]pireno  Benzo[ghi]perileno  Nonilfenol  Octilfenol  Octilfenoletoxilado  Nonilfenoletoxilado

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Produtos de  limpeza  domésticos  Disposição  de resíduos  sólidos  Produtos de  uso pessoal  Fármacos  Criação de  animais  Excreção  humana  Produção  de produtos  (indústria)  Agricultura  Solo  Efluente de  Estação de  tratamento  de esgoto  Efluente de  Estação de  tratamento  de efluentes  industriais  Criação de  animais  mais  Águas  naturais  Embalagem  de alimentos  Agricultura  Derivados  de animais 

Água  potável  Compostos  Químicos  Alimento  Sistema Endócrino

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2.1.  Meios  de  exposição  aos  desreguladores endócrinos  A  exposição  aos  desreguladores  endócrinos  pode  ocorrer  sob  diferentes  formas, tais como, através do contato direto  no local de trabalho ou em casa, ou indireto  através da ingestão  de água, ar ou alimentos  contaminados e ao contato com o solo. Uma  das maiores exposições da população aos  desreguladores  endócrinos  é  através  da  ingestão  de água e alimentos contaminados.  No caso dos seres humanos estima­se que  mais de 90% dessas substâncias ambientais  são   absorvidos  por  via  digestiva,  principalmente  através  de  alimentos  contaminados.  A  Figura  1  apresenta  um  esquema  com  as  possíveis  rotas  de  exposição aos DE.  2.2. Mecanismos de ação dos DE  O sistema endócrino é responsável pelo  crescimento,  reprodução,  manutenção ,  homeóstase e pelo metabolismo dos animais  e das plantas. O sistema endócrino é um dos  mais complexos sistemas do corpo humano.  Consiste de várias glândulas em diferentes  áeras  do  corpo,  incluindo  o  pâncreas,  a  tireóide, os órgão s reprodutores (ováiros e  testículos),  o  hipotálamo,  a  pituitáira  (hipófise), a paratireóide e a supra­renal, que  produzem  hormônios  com  diferentes  funçõ es.  Essas  glândulas  secretam  hormônios que são  ativos em receptores de  tecidos e órgão s ao longo do corpo.  Hormônios  são   poderosas  moléculas  mensageiras  que  controlam  funçõ es  essenciais  do  corpo  e,  após  serem  sintetizados, são  transportados pela corrente  sangüínea,  no  estado  livre  ou  ligados  a  proteínas  e  agem  em  locais  específicos  regulando ou alterando determinados órgão s  ou suas funçõ es.  Os  hormônios  possuem  características  únicas e interagem com as células­alvo por  diversos  meios.  São   potentes,  ou  seja,  pequenas  quantidades  são   suficientes  para  causar uma resposta.  Os diferentes mecanismos de ação dos DE  Os  desreguladores  endócrinos  podem  interferir com o funcionamento do sistema  endócrino  de  várias  formas,  como  por  exemplo:  (1)  mímese  da  ação  de  um  hormônio endógeno, como o estrogênio ou a  testosterona, afetando as funçõ es que esses  hormônios  controlam?  (2)  bloqueio  dos  receptores hormonais nas células, impedindo  assim a ação dos hormônios naturais? (3)  interferencia  na  síntese,  no  transporte,  no  metabolismo, na eliminação dos hormônios  e níveis de receptores, alterando dessa forma  as concentraçõ es dos hormônios naturais no  corpo.  Alguns  desses  mecanismos  são   apresentados na Figura 2. 

Desregulador  Hormônio  Endócrino  Receptor Receptor  Célula  Célula 

Sinais normais às  células  (a)  (b)  Desregulador  Endócrino 

Receptor  Célula  Bloqueios dos sinais  normais às células  (c)

Figura 2. Mecanismos de atuação dos DE.  (a) Resposta natural, (b) Efeito agonista e (c)  Efeito antagonista.  Muitos  desreguladores  endócrinos  interagem  com  os  receptores  hormonais  e  causam  uma  resposta  biológica  e  podem  atuar como agonistas ou antagonistas. As  alteraçõ es nas funçõ es do sistema endócrino  podem prejudicar a saúde do organismo, da  sua  descendência  ou  de  uma  (sub)  população. 

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Além do mecanismo de ação pelo qual  uma substância pode interagir diretamente  com  os  receptores  hormonais,  e  entã o  mimetizar  ou  bloquear  a  ação   de  um  hormônio endógeno, há outros mecanismos  pelos quais uma substância química pode  alterar  o  processo  biológico  natural,  tais  como,  a  alteração  da  concentração  de  hormônios endógenos pela alteração em sua  síntese,  metabolismo,  distribuição  ou  clivagem. Pode ainda, alterar a resposta dos  hormônios  pela  alteração   do  número  de  receptores  ou  por  outros  caminhos  secundáiros  que  afetam  as  funçõ es  dos  2  receptores .  Os  DE  também  podem  apresentar  múltiplas atividades hormonais, ou seja, uma  substância que mimetiza estrogênios pode  ter  outros  mecanismos  de  ação ,  como  a  atividade  anti­andrógena.  Por  exemplo,  o  DDT, o qual foi originalmente classificado  como uma substância estrogênica, também  possui atividade anti­andrógena.  Para muitas substâncias, um aumento na  concentração   acarreta  um  aumento  dos  efeitos  danosos.  Entretanto,  para  os  desreguladores  endócrinos,  os  maiores  efeitos  podem  ocorrer  em  baixas  concentraçõ es.  Isto  porque  os  hormônios  normalmente  são   efetivos  em  baixas  concentraçõ es, pois os receptores têm uma  afinidade  muito  grande  por  um  hormônio  específico,  de  forma  que  baixas  concentraçõ es são  suficientes para se obter  uma resposta. Apesar da sua alta afinidade  por hormônios, o receptor pode se ligar a  outras  substâncias  químicas.  Assim,  desreguladores  endócrinos  presentes  em  baixas  concentraçõ es  podem  causar  um  4  efeito e elucidar uma resposta biológica .  3. PPCPs ? Fármacos e produtos de  cuidado pessoal.  Fámr acos,  ingredientes  ou  preservantes  de  comésticos,  suplementos  alimentares  e  outros  produtos  de  cuidado/uso  pessoal,  junto com seus respectivos metabólitos, são   referidos  em  conjunto  como  fármacos  e  produtos de cuidado pessoal, representados  pela  sigla  PPCP  ?  Pharmaceutical  and  Personal Care Products.  A  ocorrência  dos  PPCP  no  ambiente  aquátioc, águas naturais, esgoto doméstico e  efluentes  de  ETE  pode  ser  explicada,  principalmente, pelos seus extensivos usos e  suas incompletas remoçõ es nas estaçõ es de  tratamento de efluente.  3.1. Fármacos  Toneladas  de  medicamentos  são   produzidas  anualmente  e  aplicadas  na  medicina  humana  e  veterinária.  Após  a  administração, uma parte significativa dos  fámr acos é excretada e seu maior destino é o  esgoto doméstico. Dependendo do tipo de  fámr aco e do processo de tratamento usado  nas  ETE,  tais  fámr acos  podem  ser  removidos pelos processos de adsorção e/ou  biodegradação.  Porém,  vários  fámr acos  podem  ser  persistentes  e,  não   serem  9  completamente removidos nas ETE . Com  isso, resíduos de diversos fámr acos têm sido  detectados em águas naturais. Além disso,  muitos  fármacos  resistem  aos  processos  convencionais de tratamento de água9 .  Os  fámr acos  são   utilizados  no  diagnóstico,  tratamento  e  prevenção  de  doenças. Uma grande variedade de fámr acos  são   usados  diariamente,  incluindo  antibióticos,  contraceptivos,  anestésicos,  agentes  reguladores  de  lipídeos,  meio  de  contraste  de  Raios­X,  antiinflamatórios,  antiepiléticos,  anti­depressivos,  alguns  exemplos são  apresentados na Tabela 2. Em  todo  o  mundo,  esses  fámr acos  foram  encontrados no esgoto doméstico, em águas  superficiais e de subsolo, sedimentos e lodos  biológicos de ETE6 .

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Tabela 2. Alguns fámr acos encontrados no ambiente aquátioc.  Analgésico  ­bloqueador  Antibiótico  Ác ido acetilsalicílico  Dimetilaminofenazona  Fenazona  Propifenazona  Betaxolol  Propanolol  Bisoprolol  Ciprofloxacina  Clorotetraciclina  Eritromicina  Lincomicina  Norfloxacina  Oxitetraciclina  Penicilina  Roxitrocina  Sulfametoxazol  Tetramicina  Tilosina  Trimetropim  Vancomicina  Meios de contraste de raio­X  Antiinflamatório  Iopamidol  Iopromida  Iomeprol  Cetoprofeno  Diclofenaco  Indometacina  Ibuprofeno  Agente regulador de lipídeo  Antiepilético  Bezafibrato  Carbamazepina  Metabólito de agentes reguladores de lipídeos  Ác ido clorifíbrico  Ác ido Fenofíbrico  Medicamento psiquiátrico  Estrogênio sintético  Diazepan  17 ­etinilestradiol 

Em  geral,  os  medicamentos  são   desenvolvidos para ser persistentes e reter  suas propriedades químicas o bastante para  servir  a  um  propósito  terapêutico.  Sã o  projetados com um modo de ação específico.  Com isso, é de se esperar que eles possam  ter uma variedade de efeitos em receptores  não ­alvo e possam causar efeitos adversos  em um organismo. Esses efeitos podem ser  agudos ou crônicos.  Dois problemas ambientais relacionados  à presença de fámr acos no meio ambiente  são   amplamente  discutidos  O  primeiro  é  que,  devido  ao  uso  desenfreado  de  antibióticos,  as  bactérias  podem  fazer,  e  freqüentemente o fazem, mudanças no seu  material genético, adquirindo resistência aos  antibióticos.  Assim, uma bactéria presente  em um corpo hídrico que contenha traços de  antibióticos pode adquirir resistência a essas  6  substâncias  O  segundo  é  o  17 ­  .  etinilestradiol,  um  fámr aco  muito  usado  como contraceptivo oral que causa efeitos  danosos ao sistema endócrino dos animais,  sendo  classificado  como  desregulador  endócrino.  Os  fámr acos  sã o  desenvolvidos  para  estimular  uma  resposta  em  animais  e  humanos, muitas vezes em baixas doses e  com um objetivo específico. Sendo assim, as  implicaçõ es para a saúde humana devido a  sua presença no meio ambiente devem ser  avaliadas.  O  contraceptivo  oral  17 ­  etinilestradiol tem elevada potência e causa  efeitos  biológicos  mesmo  em  baixas  concentraçõ es.  Antibióticos  presentes  na  água,  solo  e  sedimentos  podem  causar  alteraçõ es  na  comunidade  microbiana  e  afetar organismos de uma cadeia alimentar.  Aplicação e Destino dos Fármacos no  Meio Ambiente  A excreção  é o maior e principal meio  pelo qual os fámr acos de uso humano e  veterináiro  são   introduzidos  no  meio  ambiente. Uma vez no esgoto doméstico, os  fámracos entram nas ETE, onde não são  completamente  removidos  e  acabam  descartados  no  meio  ambiente  como  efluentes  de  ETE,  atingindo  as  águas  naturais.  Uma  grande  quantidade  de  fámr acos também é encontrada nos efluentes  hospitalares, no lodo biológico das ETE e  nos chorumes de aterros sanitáiros 2 .

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A Figura 2 apresenta um esquema que  mostra  os  possíveis  caminhos  para  os  fámr acos  quando  descartados  no  meio  ambiente. 

Aplicação  Medicina  Medicina  Veterinária  Humana  Excreçã o  Esterco  Esgoto  Aquicultura 

Sedimento  Solo  ETE  Aterro  Sanitáiro  Água  de Subsolo  Ág uas Superficiais  Produção  Indústria 

Estaçã o de  tratamento  de efluentes  industriais Estação de Tratamento de Água  Ág ua Potável 

Figura 2. Possíveis rotas de fármacos no meio ambiente.  Possíveis  Efeitos  da  Presença  de  Fármacos ao Meio Ambiente  A  ocorrência  de  fámr acos  no  meio  ambiente  pode  apresentar  efeitos  adversos  em organismos aquátiocs e terrestres. Pouco  é conhecido sobre os efeitos de fámr acos no  meio ambiente. Existem mais dados para os  antibióticos  do  que  para  outras  classes  terapêuticas.  O  uso  indiscriminado  de  antibióticos  associado ao desenvolvimento de bactérias  resistentes  é um  tópico  que  tem  sido  6  largamente discutido . As bactérias podem  adquirir  resistência  bacteriana  aos  antibióticos,  o  que  tem  aumentado  substancialmente nos últimos anos e vem se  tornando  um  problema  de  saúde  pública.  7  Segundo Jorgensen e Halling­Sorensen , há  indícios  de  que  o  desenvolvimento  de  resistência a antibióticos é favorecido por  baixas concentraçõ es. Esse fato é de extrema  importância,  pois  os  antibióticos,  assim  como outros fámr acos são  encontrados nas  diversas  matrizes  aquosas  em  baixas  concentraçõ es,  o  que  pode  favorecer  o  desenvolvimento  da  resistência  bacteriana  no  meio  ambiente.através  da  mutação   ou  processos  de  transferência  genética,  tais  como,  transformação ,  transducção  e  conjugação .  Esses  mecanismos  têm  sido  8  discutidos por alguns pesquisadores . 

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3.2. Produtos de Cuidado Pessoal e de  Limpeza  Produtos  de  cuidado  pessoal,  comumente,  são   ingredientes  ativos  ou  preservantes  usados  na  formulação  ou  manufatura  de  cosméticos  e  produtos  de  cuidado com o corpo em geral, usualmente  são  aplicados no corpo. Pouco é conhecido  sobre o seu destino no meio ambiente ou  potenciais efeitos, mas freqüentemente esses  produtos  sã o  polares,  persistentes  e  bioacumulativos,  além  de  possuírem  alto  potencial biológico.  Produtos  de  cuidado  pessoal  incluem  ingredientes  ou  preservantes  de  xampu,  sabonetes,  produtos  para  cuidado  dental,  produtos de cuidado de pele (cosméticos) e  cabelo, agentes presentes no protetor solar,  os quais são  usados em grandes quantidades.  Fragrâncias de almíscar policíclico também  9  são   incluídas .  Os  almíscares  policíclicos  sintéticos  são   fragrâncias  usadas  em  sabonete, perfumes, detergentes, amaciantes  10  de roupa entre outros produtos de limpeza  .  Alguns ingredientes presentes em produtos  de  cuidado  pessoal  e  de  limpeza  identificadas  no  meio  ambiente  estão   apresentados na Tabela 3. 

Tabela 3. Alguns ingredientes de produtos de cuidado pessoal e de limpeza  detectados no meio ambiente.  Fragrâncias  Agentes presentes em protetor solar  Nitro  Almíscares macrocíclicos e oplicíclicos  (galaxolida (HHCB), Tonalida (AHTN),  Celestolide (ADBI), Phantolida (AHMI),  Traseolide (ATII))  Ftalatos  Acetofenona  Benzofenona  Cânfora de Metilbenzilideno  Antiséptico  Triclosan  clorofeno  Repelente de ni setos  N, N­dietiltoluamida

Ao contrário dos fármacos, os produtos  de cuidado pessoal não  passam pelo interior  do  corpo  humano  (no  qual  parte  é  metabolizada e parte é descartada), sã o de  uso  externo.  Alguns  são   usados  e  descartados  no  meio  ambiente  em  larga  escala.  Além  disso,  novos  produtos  sã o  fabricados todos os anos. Esses compostos e  seus  metabólitos  bioativos  sã o  continuamente  introduzidos  no  meio  ambiente por váiras rotas, sendo a principal  o descarte no esgoto doméstico durante o  banho  ou  limpeza,  sendo  que  essas  substâncias  nã o  são   completamente  removidas  nas  ETE  e  finalmente  sã o  lançadas no ambiente aquátioc, conduzindo  a  exposição  de  multigeraçõ es  dos  organismos residentes no meio ambiente.  Os produtos de cuidado pessoal e seus  metabólitos  foram  encontrados  em  águas  naturais,  esgoto  doméstico  e  efluentes  de  ETE em váiros países. Alguns desses dados  são  apresentados na Tabela 4.  Ao  contrário  dos  fámr acos,  na  literatura,  são   poucos  os  estudos  sobre  a  ocorrência dos produtos de cuidado pessoal  no  meio  ambiente,  bem  como  há poucas  informaçõ es  sobre  os  riscos  em  potencial  desses produtos. 

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5. Subprodutos da Desinfecção  O aumento no uso do ozônio e cloro  no  tratamento  de  água  potável  tem  se  tornado um problema devido à formação de  subprodutos  de  desinfecção  (DBP).  Os  subprodutos  formados  na  desinfecção  por  cloração das águas naturais, os chamados  trihalometanos, são  largamente conhecidos e  estudados. No caso da desinfecção de águas  naturais  que  contém  brometo  por  14  ozonização, háa formação do íon bromato .  O  bromato  é potencialmente  cancerígeno.  Suas concentraçõ es vem sendo monitoradas  nas plantas de tratamento de água potável  que  utilizam  a  ozonização   em  seu  tratamento. 

Tabela 4. Concentrações médias ou faixas de concentraçõ es de produtos de cuidado pessoal  encontrados no meio aquátioc.  Composto  Classe  Concentração média  no meio ambiente  ­1  (µg.L )  Condições  Referência  Acetofenona  Fragrância  0,15  Ág ua natural/EUA  10  Tonalida  (AHTN)  Fragrância de  almíscar  0,10 ?0,03  Efluente de ETE/Alemanha  11  0,680  Afluente de ETE/Canadá  12  0,298  Efluente de ETE/Canadá  0,08­0,11  Ág uas naturais/Romania  13  Celestolida  Fragrância  de almíscar  0,0345  Afluente de ETE/Canadá  12  0,0200  Efluente de ETE/Canadá  Galaxodina  Fragrância  de almíscar  0,737 ? 0,14  Efluente de  ETE/Alemanha  11  1,701  Afluente de ETE/Canadá  12  0,876  Efluente de ETE/Canadá  0,172 ? 0,314  Ág uas naturais/Romania  13  Pantolida  Fragrância  de almíscar  0,0220  Afluente de ETE/Canadá  12  Traseolida  Fragrância  de almíscar  0,131  Afluente de ETE/Canadá  12  0,047  Efluente de ETE/Canadá  Triclosan  Antiséptico  0,106  Efluente de ETE/Canadá  12  1,86  Afluente de ETE/Canadá  0,0576­0,038  Ág uas naturais/Romania  13 

o.  No Brrasil, a portaria n  518/2004 do  Ministério da Saúde estabelece que o valor  máximo permitido para o bromato na água  ­1  potável é de 0,025 mg.L . À medida que há  um avanço no desenvolvimento dos métodos  analíticos de determinação de bromato na  água, estes valores tendem a diminuir. A  União  Européia e a US.EPA estabeleceram  um nível máximo de contaminação  de 10 ­1  14  µg.L  para o bromato na água potável  .  Assim, a concentração de bromato formado  na ozonização em plantas de tratamento de  água  potável  deve  ser  monitorada  e  regulada. Alguns autores investigam qual a  concentração  de  ozônio  que  conduz  à  formação  mínima  de  bromato,  que  vai

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depender  da  concentração  de  brometo  15  presente  na  água  .  A  minimização  da  formação  do  bromato  também  pode  ser  alcançada por outras técnicas de tratamento  da água antes da ozonização. A ozonização  na desinfecção de águas para abastecimento  humano ainda não  é aplicada no Brasil. No  entanto essa é uma técnica em expansão , que  futuramente poderá esr usada no nosso país .

6. Conclusã o  Muitas pesquisas vêm sendo realizadas  visando a identificação e o monitoramento  de poluentes emergentes no meio ambiente.  Substâncias  químicas,  como  os  fámr acos,  desreguladores endócrinos, produtos de uso  pessoal e dos novos subprodutos formados  na  desinfecção  por  ozônio,  tal  como  o  bromato,  têm  sido  detectados  em  águas  naturais,  efluentes  ou  mesmo  em  solos  e  sedimentos.  Muitas pesquisas têm sido desenvolvidas  na  identificação  e  quantificação  dessas  substâncias  nas  complexas  matrizes  ambientais.  Háu m significativo esforço no sentido de  se  determinar  quais  os  efeitos  que  esses  micropoluentes podem provocar em animais  e  humanos.  Alguns  efeitos  já  foram  identificados. No entanto, somente algumas  dessas  substâncias  químicas  foram  estudadas.  Um  outro  ponto  de  grande  importância  é  o  estabelecimento  de  concentraçõ es seguras dessas substâncias no  meio  ambiente  que  não   causem  efeitos  danosos aos organismos.  Outra grande preocupação é determinar a  real  remoção  desses  poluentes  pelos  processos de tratamentos de efluentes e de  água  utilizados  atualmente,  além  da  otimização   desses  processos  e  o  desenvolvimento  e  aplicação  de  novas  tecnologias de tratamento. A remoção  desses  micropoluentes  pelos  atuais  processos  de  tratamento de efluentes depende do tipo de  tratamento  e  forma  de  operação  de  cada  processo.  Portanto  estes  devem  ser  otimizados visando a remoção não só da  matéria orgânica presente, mas também dos  micropoluentes, garantindo uma remoção até  níveis seguros para descarte.  Referências  [1]  US.EPA,  ?Special  Report  on  Environmental  Endocrine  Disruption:  An  Effects  Assessment  and  Analisy?   U.S. Environmental Protection Agency,  Report  No.  EPA/630/R­96/012,  Washington D . C, 1997.  [2]  Bila,  D.  M.,  Dezotti,  M.,  ?Desreguladores  Endócrinos  No  Meio  Ambiente:  Parte  1  ­  Efeitos  e  Conseqüências?  Química  Nova,  SUBMETIDO.  [3] COM, 2001 (262) final de 14/06/2001  ?Estratégia comunitáira em matéria de  desreguladores endócrinos ? substâncias  suspeitas de interferir com os sistemas  hormonais  dos  seres  humanos  e  dos  animais?  Comissã o  das  Comunidades  Européias, 2001.  [4] Birkett, J. W.? Lester, J. N.? ?Endocrine  Disrupters in Wastewater and Sludge  Treatment  Process?,  1a  ed.,  Lewis  Publishers, 2003.  [5] Ternes, T. A. ?Occurrence of Drugs in  German Sewage Treatment Plants and  Rivers? Water Research, v. 32 (11), pp.  3245­3260, 1998.  [6] Bila, D. M., Dezotti, M., ?Fámr acos no  Meio Ambiente? Química Nova, v. 26  (4), p. 523­530, 2003.  [7] Jorgensen, S. E.? Halling­Sorensen, B.,  ?Drugs  in  the  environment?  Chemosphere, v. 04, pp. 691­699, 2000.  [8] Andersen T. J., Schäfer, T., Jorgensen, P.  L. et al., ?Using Inactivated Microbial  Biomass  as  Fertilizer:  The  Fate  of  Antibiotic  Resistance  Genes  in  the  Environment?  Research  Microbiology,  v. 152, pp. 823­833, 2001.  [9] Ellis, J. B.? ?Pharmaceutical and personal  care  products  (PPCPs)  in  urban  receiving  waters,  Environmental  Pollution, In Press, 2006.  [10] Kolpin, D. W., Furlog, E. T., Meyer, M.  T., et al., ?Pharmaceuticals, Hormones,  and  Other  Organic  Wastewater

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Contaminants  in  U.S.  Streams,  1999­  2000:  A  National  Reconnaissance?  Environmental Science Technology, v.  36, pp. 1202­1211, 2002  [11] Ternes, T. A., Stübera, J., Herrmanna,  N.,  et  al.,  ?Ozonation:  a  Tool  for  Removal  of  Pharmaceuticals,  Contrast  Media  and  Musk  Fragrances  From  Wastewater?? Water Research, v. 37,  pp. 1976?1982, 2003.  [12] Lishman L., Smyth, S. A., Sarafin, K.,  et  al.,  ?Occurrence  and  reductions  of  pharmaceuticals  and  personal  care  products  and  estrogens  by  municipal  wastewater treatment plants in Ontario,  Canada?,  Science  of  the  Total  Environment, In Press, 2006.  [13]  Moldovan,  Z.?  ?Occurrences  of  pharmaceutical  and  personal  care  products  as  micropollutants  in  rivers  from Romania?, Chemosphere, In Press,  2006.  [14]  Von  Gunten,  U.,  ?Ozonation  of  Drinking  Water:  Part  II.  Disinfection  and by­Product Formation in Presence  of Bromide, Iodide or Chlorine? Water  Research, v. 37, p. 1469?1487, 2003.  [15]  Duguet,  J.­P.,  Montiel,  A.,  ?The  compliance  with  the  new  European  regulation  with  bromate  in  drinking  water: the practical experience of EAU  DE PARIS? IOA 17 th World Ozone  Congress,  pp.  SW3­1  ?  SW3­10  Strasbourg, 2005.

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Um Método para Classificação Supervisionada de Imagens de  Sensoriamento Remoto Utilizando Rede Neural Probabilística e  Características de Textura  Marcelo Musci Zaib Antonio 

Universidade Iguaçu ?UNIG ? FaCET ­ RJ  Av. Abílio Augusto Távora,2134, Centro, Nova Iguaçu, RJ, Brasil  E­mail: marcelo@musci.eng.br 

Resumo  Este trabalho apresenta uma análise multiespectral de textura, para classificação de imagens  de sensoriamento remoto, que une matriz de co­ocorrência e componentes principais para  modelagem de textura e utiliza redes neurais para a classificação supervisionada. As  características de textura sã o definidas por um conjunto de medidas estatísticas descrevendo as  variações de intensidade, juntamente com as informaçõ es de cor. As medidas sã o calculadas de  matrizes de co­ocorrência de níveis de cinza e posteriormente selecionadas por transformações  lineares e algoritmos de seleção.  .  Palavras chave : classificação de imagens? sensoriamento remoto? textura? matriz de co­  ocorrência? rede neural probabilística 

1. Introduçã o  Atualmente para a caracterização  do uso  das  terras  existem  vários  métodos  tradicionais  de  levantamento  de  campo,  como  aqueles  auxiliados  por  fotografias  aéreas  ou  pela  cartografia  temátiac,  entre  outros.  O  sensoriamento  remoto  constitui  uma  técnica  de  grande  utilidade,  pois  permite  em  curto  espaço  de  tempo  a  obtenção  de  uma  grande  quantidade  de  informaçõ es a respeito de registros de uso da  terra,  de  maneira  eficiente,  rápida  e  apresentando relativamente baixo custo.  Para extrair informaçõ es de imagens de  sensores remotos, o intérprete considera, na  interpretação visual humana, características  como o contexto, formas, bordas, variaçõ es  tonais ou cores, e textura.  Na interpretação digital, a maioria das  técnicas­padrão   de  classificação  disponível  apresenta  algoritmos  de  classificação  baseados  somente  no  uso  da  informação  espectral,  deixando  de  lado  as  outras  características consideradas na interpretação  visual. Nos últimos anos diversas pesquisas  vêm  sendo  efetuadas  para  incluir  estas  outras  características  para  a  extração  automátcia de informaçõ es de imagens.  A textura pode ser pensada em termos de  suas características como um sub­padrão  ou  primitiva, e por uma regra de localização  que  define  sua  distribuição   espacial?  ou  também se poderia pensar a textura como  um  fenômeno  organizado  composto  de  padrõ es  que  obedecem  alguma  regra  estatística,  como  citado  por  Haralick  &  Shapiro [1] e Visa [2].

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Enquanto a classificação  multi­espectral 1  tradicional é um processo de agrupamento  de  valores  de  intensidades  espectrais  das  váiras bandas do pixel, na análsie textural,  ao contráiro, a diferença das feiçõ es tonais é  que  irá  caracterizál­a.  Portanto,  ela  é  expressa pela diferença entre as intensidades  dos  vizinhos, e será sempre fundamentada  em uma operação de áera ou vizinhança,  Crosta [3].  O uso de textura, além das características  espectrais,  para  classificação  de  imagens  pode  trazer  resultados  mais  precisos,  dependendo apenas da resolução espacial do  sensor e o quão  homogênea é a áera a ser  classificada.  Texturas  podem  ser  definidas  por  intermédio  de  um  conjunto  de  medidas  estatísticas  descrevendo  as  variaçõ es  espaciais  de  intensidade  ou  cor.  Para  extração  de  características  de  textura  foi  utilizado o método proposto por Haraclick  [4], baseado em matrizes de co­ocorrência,  sendo este um dos métodos mais utilizados  da  abordagem  estatística  para  análise  de  textura.  Para  a  classificação,  foi  utilizado  um  método  supervisionado.  Na  classificação  supervisionada,  empregam­se  duas  etapas  principais:  treinamento  e  reconhecimento.  No treinamento, constrói­se um modelo para  o  conteúdo  de  textura,  baseado  em  características estatísticas para cada classe  do conjunto de treino. No reconhecimento,  são   analisadas  as  texturas  presentes  na  imagem,  utilizando  os  mesmos  métodos  estatísticos para o treinamento. As amostras  são ,  então ,  atribuídas  às  categorias  que  apresentam maior similaridade.  Váiros modelos de redes neurais foram  desenvolvidos para classificação  de imagens  de textura usando propriedades estatísticas. 

1  Imagens de várias bandas correspondendo a  diferentes comprimentos de ondas.  Nesse trabalho, a classificação é feita por  intermédio de uma rede neural probalística  (PNN ? Probabilistic Neural Network).  A  Seção  2  apresenta  uma  breve  descrição de textura e sua representação para  classificação.  Na Seção 3 é mostrado o  modelo  de  classificação  proposto.  A  modelagem utilizando a rede PNN é descrita  na  Seção  4.  Finalmente  na  Seção  5  são   ilustrados os resultados obtidos, mostrando a  eficiência do método. 

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domínios  consistentes  de  co­ocorrência,  independente de propriedades estatísticas de  primeira  ordem  de  uma  imagem  como  média, máxima ou  mínima intensidade de  pixels.  Segundo Schwartz [6], a matriz de co­  ocorrência  é uma  tabulação  de  quantas  combinaçõ es  diferentes  de  valores  de  intensidade  dos  pixels  (níveis  de  cinza)  ocorrem em uma imagem. A idéia principal  da  matriz  de  co­ocorrência  é descrever  textura  através  de  um  conjunto  de  características para as ocorrências de cada  nível  de  cinza  nos  pixels  da  imagem  considerando múltiplas direçõ es.  Na determinação,  pode­se modelar uma  imagem em escala de cinza em um domínio  D ¢ 2  de Ng  níveis de cinza como uma  função  em  duas  dimensõ es  (2D)  I : D ? G ,  onde  G = {1,..., N } .  A  g  GLCM  P i j | d , )  é uma estimativa da  (,   função  densidade    de  probabilidade  condicional de segunda ordem, na qual dois  pixels, separados pelo deslocamento  d ,   ,  tendo intensidades  ie j, onde i, j  G : 

P (i, j | d , )  #{k,l?D|I(k)=i,I(l)=j,Pk-lP= d,?(k-l )=}  = #{m,n?D|Pm-nP= d,?(m-n)= }  (1)  onde k, l, m, n são  localizaçõ es válidas de  pixels  na  imagem.  Devido  à  natureza  discreta das intensidades da imagem, P é de  fato, uma densidade discreta ao invés de  contínua.  Co­ocorrência na sua forma geral, pode  ser  especificada  por  uma  matriz  de  P (i, j d )  freqüências relativas  | ,   , na qual  dois  elementos  de  textura  vizinhos,  separados  por  uma  distância  d  em  uma  orientação   ocorrem na imagem, um com  propriedade i e outro com propriedade j, [6].  Algumas considerações são necessáiras,  de forma a limitar o número de níveis de  cinza Ng da imagem, a distância d entre os  pixels e a orientação  . As imagens são   requantizadas para 16 ou 32 níveis de cinza.  A  orientação   é geralmente  limitada  a  quatro ângulos em intervalos de 45°, sem  distinção entre os ângulos opostos, isto é,  são  utilizadas as orientaçõ es para   = (0°,  45°, 90, 135°). A distância d é escolhida de  acordo  com  a  rugosidade  das  imagens  a  serem analisadas, e geralmente varia de 1 até  um valor máximo dependendo da textura da  imagem, Gool et al . [8].  A Figura 1 mostra a disposição espacial  dos pixels para o cálculo da matriz de co­  ocorrência.  6  7     8   5          1  4     3     2 0° 

135°  90°  45  Figura 1 ­ Disposição espacial dos pixels,  para o cálculo da matriz de co­ocorrência.  Aplicaçõ es  típicas  de  GLCM  como  definida por Haralick et al. [4], envolve a  extração  de  características  escalares  secundáiras  da  matriz  de  co­ocorrência.  Haralick  et  al.  definiu  14  funçõ es  características  que  foram  estendidas  por  Conners, Triveldi & Harlow [9] e outros. As  funçõ es de características de segunda ordem  de  GLCM  que  foram  utilizadas  neste  trabalho são  descritas a seguir: 

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Energia:   , j P (i, j) 2  (2)  i Entropia:   , j  - P(i,j)logP(i,j)  (3)  i

Homogeneidade:  1    P (i, j )  (4)  i, j 1+ (i - j) 2  Inércia:   , j (i - j)2 P(i, j)  (5)  i

Correlação:  (i - µ )( j - µ )  -  , j  x y  P (i, j )  (6)  i x y 

Shade:   , j (i + j - µ - µ )3 P (i, j )  (7)  i x y 

Prominance:   (i + j - µ - µ )4 P(i, j)  (8)  i, j  x y 

Variância:   , j (i-µ)2 P(i,j)  (9)  i x 

Soma da Média:  2 N   i =2  g iP (i)  (10)  x+ y 

Soma da Entropia:  2 N  -  g P (i) log P (i)  (11)  i =2  x+ y x+ y 

Diferença da Entropia:  N  -1   i =0  g  -P (i)logP (i)  (12)  x- y x- y 

Diferença da variância:  N  -1   i =g0   (i - F12)2 P (i)  (13)  x- y 

Medidas de Informaçã o:  F 2 - HXY 1  (14)  max(HX, HY)  Simetria Triangular:   , j  | P (i, j) - P ( j, i) |  (15)  i

onde:  ____________________________________  N  -1   i =0  F12 = g  iP (i)?  x- y 

µ = i P(i, j), µ = j  P(i, j)?  x i j y  j i  x= i(i-µx)2 jP(i,j), y= j(j-µy )2   i P(i,j)?  P (i) = P(i, j), P ( j) =  P(i, j)?  x j y  i 

+ y i , j |i j k x - y   , | | P (k) = P(i, j), P (k) = P(i, j)?  x + = i j i- j =k  | 

+ y i , j |i j k x - y   , | | P (k) = P(i, j), P (k) = P(i, j)?  x + = i j i- j =k  | 

Hx e Hy são  entropias de P ( )  P j ?  i  e  ( )  x  y 

 , j  HXY1 = - P(i, j)log(P (i)P (i)) .  i x y 

Embora  todas  as  funçõ es  de  características  descritas  sejam  calculadas,  serão   escolhidas  apenas  as  mais  significativas  para  a  classificação  da  imagem. 

3. Modelo para Classificação  O Reconhecimento de Padrõ es (RP) é a  aplicação   de  técnicas  matemátiacs  e  estatísticas  para  a  identificação   e  classificação  de  objetos  de  diferentes  classes. No processo de RP extrai­se uma  grande  quantidade  de  características  dos  objetos que queremos classificar.  A  princípio  não   sabemos  quais  características dos objetos melhor poderão   ser  utilizada  para  uma  boa  discriminação  entre  as  classes  envolvidas.  Portanto  é  comum se extrair uma grande quantidade de  características  inerentes  aos  objetos  envolvidos durante a fase de treinamento do  sistema.    Esse  conjunto  formado  pelas  características dos objetos é, então , reduzido  por  dois  processos  conhecidos  como  extração  de  características  (feature

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extraction)  e  seleçã o  de  características  (feature selection).  O processo de anális ediscriminatória da  imagem  é formado  por  duas  etapas:  A  primeira  consiste  em  discriminar  entre  grupos de dados multi­variados originados  de fontes conhecidas. Esses grupos de dados  são  os grupos de controle, conhecidos como  conjunto de treinamento. A segunda etapa é  a  classificação   dos  dados  de  origem  desconhecida  entre  um  dos  grupos  envolvidos,  aplicando  uma  função  de  discriminação.  O  modelo  de  sistema  proposto  para  classificação  de  imagens,  utilizando  características  de  textura,  é  ilustrado  na  Figura 2. 

Aquisição da  Imagem  Pré­processamento  Descrição e Medição de  Características 

Classificaçã o  Extração e  Seleçã o de  Características  Resultado

Figura 2 ­ Componentes fundamentais do  sistema de classificação proposto. 

3.1 Pré­processamento  O pré­processamento de imagens digitais  é uma necessidade em muitos sistemas de  análsie.  Por  vezes  é  referido  como  restauração de imagem e retificação.  Normalização de imagens é um exemplo  de  pré­processamento  que  envolve  a  utilização de algoritmos para requantização  e equalização de histograma, como a técnica  de  equal  probability  [4].  Operações  de  requantização  permitem  a  redução   de  um  grande  número  de  intensidade  de  pixels  variados de uma imagem para um número  pequeno  e  fixo.  As  dificuldades  computacionais  no  processamento  imposto  por  esses  algoritmos  estão   diretamente  relacionadas  ao  número  de  intensidades  presentes  na  imagem  original  Ng.  Em  imagens, geralmente são  utilizados 8 bits (Ng  =  256)  para  representar  o  nível  de  intensidade de cinza. Pela requantização  das  imagens com Ng = 256 para Ng = 16 níveis  de cinza podemos reduzir substancialmente  os recursos computacionais necessáiros, sem  depreciar o processo de anális edas imagens  [11]. 

3.2  Descrição  e  Medição  de  Características  Foram utilizadas, nesse trabalho, técnicas  de  descrição   de  características  para  classificação  de  imagens  baseadas  em  características  multi­espectrais  e  características de textura.  As  características  normalmente  usadas  para distinguir uma cor da outra sã o brilho,  matiz e saturação. O brilho incorpora a  noção cromátiac da intensidade. Matiz é um  atributo associado com o comprimento de  onda dominante em uma mistura de ondas  de  luz.  A  saturação  refere­se  à  pureza  relativa  ou  quantidade  de  luz  branca  misturada  com  um  matiz.  O  matiz  e  a  saturação , quando tomados juntamente, são   chamados cromaticidade ou informação de  croma.  Portanto,  uma  cor  pode  ser  caracterizada  pelo  seu  brilho  e  cromaticidade, [10]. 

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Para  informação  de  cores  torna­se  necessáiro o uso de um modelo de cor 2 . O  modelo  usado  foi  o  HSV,  em  que  as  informaçõ es  de  cromaticidade  sã o  representadas pelos componentes H (Hue ?  matiz) e S (Saturation ? saturação) e a  informação de intensidade, pela componente  V (Value ? valor). Se fizermos os valores de  H e S iguais a zero, então  a componente V  irá  representar  uma  imagem  em  tons  de  cinza (grayscale).  Após  a  divisão   do  sinal  colorido  da  imagem em componentes de luminância e  crominâcia,  pode­se  processál­os  separadamente.  Um  certo  número  de  aproximaçõ es  usando  esse  princípio  tem  sido  propostas.  Dubuisson­Jolly  e  Gupta  [12] utilizaram um método para classificar  imagens  de  sensoriamento  remoto,  cujos  cálculos foram feitos no espaço de cores e  textura  de  forma  independente,  sendo  a  avaliação final obtida pelos classificadores  de cor e textura.  Os parâmetros de textura e cor sã o então   amostrados,  sendo  sua  obtenção  realizada  pelo deslocamento de uma janela sobre a  imagem, conforme mostra aF igura 3.  A  coleta  de  informaçõ es  de  cores  é  efetuada tomando­se medidas de dispersão ,  como média e desvio padrão  do conjunto de  pixels  da  janela.  Semelhante  trabalho  foi  efetuado por Briggs & Nellis [13]. Foram  utilizadas as informações de matiz (H) e  saturação  (S)  do  sistema  de  cores  HSV,  sendo as informaçõ es de nível de cinza (V)  utilizada  para  extraírem­se  características  texturais da imagem. 

2 Especificaçã o de um sistema de coordenadas  tridimensionais  e  um  subespaço  dentro  desse  sistema onde cada cor é representada por um  único ponto.  Figura 3 ? Aplicação de uma janela de  deslocamento na imagem em análise, para  obtenção de medidas de características.  O tamanho da janela é de fundamental  importância  porque  janelas  de  grandes  dimensõ es são  necessárias para capturar os  váiros  tipos  de  textura  e  diminuir  a  variabilidade  entre  classes  de  textura  diferentes. Entretanto, quanto maior a janela,  maior  será a  sobreposição  entre  duas  ou  mais  regiõ es,  levando  a  erros  de  classificação  entre  essas  regiõ es.  O  problema da determinação do tamanho da  janela  foi  intensamente  pesquisado  por  Glotfelty [14] e um algoritmo foi sugerido  para  determinação  automátiac  da  janela.  Neste  trabalho  o  tamanho  da  janela  foi  determinado de forma empírica ao longo das  experiências realizadas.  3.3 Extração e Seleção de Características  A  definição  de  um  conjunto  de  características  pode  nã o  ser  uma  tarefa  trivial.  A  chave  é escolher  e  extrair  um  conjunto finito de características. Entretanto,  é comum que muitas dessas características  possuam  poucas  ou  nenhuma  informação  relevante para a discriminação das classes  dos  objetos  envolvidos.  Em  muitas  aplicaçõ es,  numerosas  características  são   obtidas a fim de assegurar uma classificação  acurada das classes desconhecidas. Algumas  vezes, o número de características deve ser  reduzido antes de usar um classificador, pois  o método de classificação  utilizado pode se

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tornar  computacionalmente  e/ou  analiticamente intratável.  Algumas das técnicas utilizadas para a  redução  de  dimensionalidade  podem  ser  descritas  de  duas  formas  diferentes.  A  primeira é identificar as variáveis que nã o  contribuem para o processo de classificação ,  devendo então  ser desprezadas. O processo  se caracteriza por desprezar um número d de  características dentro do espaço de dimensã o  p (o número de características d precisa ser  determinado). Esse processo é chamado de  seleção   de  características.  Em  outras  palavras,  isso  significa  selecionar  um  subconjunto dentro de um grande conjunto  de váiras outras variáveis.  A  segunda  aproximação   consiste  em  encontrar uma transformação  do espaço de  dimensão   p  para  um  espaço  de  menor  dimensão . Isso é chamado de extração de  características.  Para  o  processo  de  extração   de  características,  foi  utilizada  a  Análsie  de  Componentes Principais (PCA ­ Principal  Components Analysis), que é uma técnica de  redução do número total de variáveis.  Na  escolha  de  um  conjunto  de  características ótimo,  torna­se  necessário  um modo de mensurar a capacidade desse  conjunto  em  discriminar  com  bastante  eficiência as classes de objetos envolvidas.  Na seleção das melhores características  de  textura,  obtidas  das  matrizes  de  co­  ocorrência, para o processo de escolha, foi  construído um classificador baseado em rede  neural  probabilística  para  um  conjunto  reduzido  de  características  e  escolhidas  aquelas que produzem um melhor resultado  em um conjunto separado de teste/validação .  Nesta  aproximação ,  o  conjunto  de  características  é  escolhido  de  forma  a  adaptar­se ao classificador.  Uma  vez  definida  a  função  de  discriminação (a rede neural) a ser utilizada  para a seleção das melhores características,  dentre todas envolvidas, resta escolher o tipo  de algoritmo para essa escolha.  Segundo Kittler [15], o método plus l ?  take away r demonstra ótimos resultados e é  computacionalmente  satisfatório  para  a  maioria das aplicaçõ es. Por essa razã o esse  algoritmo foi escolhido para a seleção de  características,  sendo  a  função  de  discriminação  construída  a  partir  de  um  classificador que utiliza uma rede neural, do  mesmo  tipo  utilizada  no  módulo  classificador principal.  Na Figura 2.8 podem ser visto detalhes  do módulo de seleção  de características, que  utiliza o algoritmo plus l ? take away r. 

IMAGEM  CONJUNTO DE TREINAMENTO 

DESCRIÇÃO E  MEDIÇÃO DE  CARACTERÍSTICAS  EXTRAÇÃO DE  CARACTERÍSTICAS  

CLASSIFICADOR  ALGORÍTMO  DE SELEÇÃO  CLASSIFICADOR  NEURAL  RESULTADO  EXTRAÇÃO E SELEÇÃO  DE CARACTERÍSTICAS

Figura  4  ­  Módulo  de  seleção  de  características  que  utiliza  uma  função   de  discriminação baseada em um classificador  neural e um algoritmo de seleção  subótimo  (plus l t ake away r). 

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4. Classificação  Uma  abordagem  promissora  e  amplamente  utilizada  na  classificação  supervisionada é a que usa redes neurais.  Com sua capacidade intrínseca de aprender,  as  redes  neurais  surgiram  como  uma  ferramenta  poderosa  na  áera  de  reconhecimento de padrõ es.  Para  a  tarefa  de  reconhecimento  das  imagens  foi  utilizada  uma  rede  neural  probabilística, que é  uma  extensão  da  rede  RBF  ­  Radial  Basis  Function,  Comon  e  Cheneval [17]. Essa rede possui apenas três  camadas:  camada  de  entrada,  camada  escondida  e  camada  de  saída,  conforme  ilustra a Figura 5. A diferença entre a PNN e  a RBF están a segunda camada. A segunda  camada da PNN é um camada competitiva,  isto é, os neurônios desta segunda camada  competem para indicar o neurônio com a  maior probabilidade de ocorrência.  A vantagem desse tipo de rede é ter um  tempo  de  treinamento  bastante  reduzido,  além  de  prescindir  da  determinação  do  número de neurônios na camada escondida.  O  número  de  neurônios  na  camada  escondida  é definido  de  acordo  com  o  número  de  vetores  utilizados  para  o  treinamento.  Na  camada  de  saída,  a  quantidade  de  neurônios  é a  mesma  das  classes a serem reconhecidas 

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extração/seleção  de  características,  formando  entã o  um  conjunto  reduzido,  usado para o treino da rede.  Na etapa de classificação, a imagem é  varrida  por  uma  janela  móvel,  conforme  descrito na Seção 3.2 e características de cor  e textura (as mesmas selecionadas para o  treino  da  rede)  sã o,  então ,  extraídas  e  utilizadas para ac lassificação. 

5. Resultados Experimentais  Para testar a metodologia proposta, foram  feitos  experimentos  com  imagens  reais  e  sintéticas,  as  quais  podem  ser  vistas  nas  Figuras 6 e 7.  A imagem sintética de teste 1, Figura 6,  de tamanho 300 x 300 pixels, foi construída,  contendo nove texturas diferentes, baseadas  na biblioteca Vistex [16] (fabric0000, fabric  0009,  fabric0014,  food0000,  food0005,  leaves0003,  metal0000,  metal  0004,  tile0009).  A imagem real de teste 2, de tamanho  490 x 309 pixels, representa uma parte da  cidade do Rio de Janeiro. 

Figura 6 ? Imagem sintética de teste 1,  tamanho 300 x 300 pixels ­  Construída com  a biblioteca Vistex.  Figura  7  ?  Imagem  real  de  teste  2,  representando uma parte da cidade do Rio de  Janeiro, t amanho 490 x 039 pixels.  Fonte: Image 3D Computer Globe  As  imagens  foram  convertidas  para  o  espaço  de  cores  HSV,  tendo  a  sua  componente de luminância (nível de cinza)  transformada  por  um  processo  de  requantização,  definido  na  Seção  3,  passando  então   a  ter  16  níveis  de  cinza  (Ng=16).  As  características  de  textura,  conforme  definidas na Seção 2, foram extraídas por  meio  de  matrizes  de  co­ocorrência,  com  dependência espacial em 0°, 45°, 90° e 135°  e para uma distância entre pixels d = 1.  Características  de  textura  calculadas  para  distâncias  maiores  (d  =  3,  4,  5)  não   produziram  uma  melhor  classificação.  A  janela utilizada, Seção  3.2, para obtenção  das características tem tamanho de 10 x 10  pixels,  determinado  empiricamente.  Foi  avaliado que o tamanho da janela é bastante  dependente da textura em questão . Janelas  de tamanho pequeno não  capturam o padrão   particular da maioria das classes, enquanto  janelas  maiores  podem  incluir  pixels  de  outras classes, depreciando ac lassificação.  Sendo  definidas  13  funçõ es  de  características (Seção 2), de agora em diante  denominadas  {f1,  f2,  ...,  f13},  para  os  4  ângulos espaciais, teremos entã o 56 medidas  de  características  para  cada  janela  amostrada.

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Para cada função  fx (x = 1, 2, ..., 13) é  aplicada uma transformação  para redução da  dimensão   dos  dados,  a  saber,  PCA.  A  redução do conjunto de dados se justifica  pela  quantidade  de  valores  redundantes  presentes em alguns dos 4 ângulos espaciais  calculados  para  cada  função .  Como  exemplo, pode ser visto na figura 8, a função  de  densidade  de  probabilidade  (pdf)  da  equação (4) ? Homogeneidade aplicada a  imagem  de  teste  1.  Claramente  pode  ser  observado que os dados para os ângulos de  45°, 90° e 135° apresentam pdfs bastante  semelhantes,  possuindo  assim  redundância  de informação, que pode ser eliminada pela  aplicação  de  PCA  em  todos  os  ângulos  espaciais,  produzindo  assim  duas  componentes (nesse caso específico ? PCA1  e  PCA2)    fracamente  não   relacionadas,  Figura 9. 

Figura 8 ? Pdf da função Homogeneidade ?  equação  (4),  mostrando  os  4  ângulos  espaciais (0°, 45°, 90°, 135°), aplicada a  imagem de teste 1.  Após a aplicação de PCA a todas as  funçõ es (f1, f2,,,, f13), procede­se à escolha  daquelas  que  fornecem  uma  melhor  discriminação,  utilizando­se  para  isso  a  técnica  mostrada  na  Seção  3.3.  Um  classificador, utilizando uma rede PNN com  um conjunto reduzido de dados (conjunto de  treino) obtido da etapa anterior, é construído  e, utilizando­se o algoritmo de seleção plus l  take  away  r,  procede­se  a  escolha  das  melhores funçõ es, isto é, as que possuem  maior discriminação para a imagem a ser  classificada. 

Figura 9 ? Aplicação de PCA a pdf da  função  Homogeneidade ? equação (4) obtida  da imagem de teste 1.  A tabela I mostra as funçõ es selecionadas  para a imagem de teste 1, pela etapa de  seleção.  Uma vez selecionadas as funçõ es a serem  utilizadas (tabela I ? para a imagem de teste  1) é feito o treinamento  do classificador,  Seção 4, com a utilização de um conjunto de  teste e outro de validação, juntamente com  as informaçõ es de cor extraídas da imagem.  Para  as  informaçõ es  de  cor,  foram  utilizadas medidas de média e variância das  informaçõ es  H  e  S  (ver  Seção  3.2)  das  janelas amostradas.  Os resultados da classificação  podem ser  vistos nas Figuras 10 e 11. A imagem de  teste 1 teve uma classificação baseada em  nove classes (texturas da biblioteca Vistex) e  a imagem de teste 2 em três classes (água,  vegetação e áraes urbanas).  A  avaliação  da  performance  do  classificador, coeficiente kappa, para as duas  imagens, foi de 0.9 (imagem de teste 1) e  0.85 (imagem de teste 2).

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Tabela I ? Funçõ es selecionadas para a  imagem de teste 1, pela etapa de seleção.  Parâmetros de  Funçõ es  PCA  Correlação  (6)  3  Homogeneidade (4)  2  Shade (7)  1  Prominance (8)  1  Variância (9)  1  Simetria Triangular (15)  2  Soma da Média (10)  1  Dif. da Variância (13)  2  Dif da Entropia (12)  2  Total  15 

Figura 10 ? Resultado da classificação da  imagem de teste 1, kappa = 0.9. 

Figura 11 ? Resultado da classificação da  imagem de teste 2, kappa = 0.87.  6. Conclusã o  De acordo com o resultado experimental  desse trabalho, o método descrito permite  aplicação  ao utras variedades de imagens.  A  determinação  da  configuração  ótima  para a anális edas imagens, baseadas em  textura colorida, é muito importante, pois a  eficáica  do  método  depende  dessa  configuração.  A determinação dos parâmetros ótimos,  originados  das  matrizes  de  co­ocorrência,  para  a  correta  classificação  de  imagens  baseadas  nessa técnica, exige um controle  cuidadoso de forma a não  sobrecarregar o  classificador com parâmetros redundantes e  de  pouca  discriminação   de  classes.  O  presente  trabalho  demonstrou  uma  alternativa para a redução da dimensã o, dos  dados  originados  das  características,  das  imagens em analise.  O modelo de classificador, baseado em  rede neural, foi capaz de tomar uma decisão   satisfatória  para  as  diferentes  classe  das  imagens  em  anális.e  Apesar  de  alguma  inconsistência,  os  objetivos  da  pesquisa  foram alcançados. 

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