Capítulo 134 Debris flow) - PlinioTomaz · Engenheiro Plínio Tomaz 6 de julho de 2012 ......

Curso de Manejo de águas pluviaisCapítulo 134-Debris flow)

Engenheiro Plínio Tomaz 6 de julho de 2012 [email protected]

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Capítulo 134Debris flow)

" A reologia é o estudo da deformação e fluxo dos materiais"E.C. Bingham (1929)

mailto:[email protected]



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Capítulo 134-Debris flow)

134.1 IntroduçãoO escorregamento de solo em talude com grande declividade forma um

escoamento com lamas, pedras, árvores e solos. É o que se chama de Debrisflow e foi a causa da catástrofe de Caraguatatuba em 17 de março de 1967causando 120 fatalidade.

Na Tabela (134.1) estão os principais escorregamentos de solo no Brasildesde 1928. Nas Figuras (134.2) e (134.3) estão fotos de debris flow.

Tabela 134.1- Prejuízos devidos a escorregamento do solo no Brasil




134-3

SEDIMENT GRAVITY FLOWS

1) Debris flows

Carbonate debris flow – Palaeocene, Kirikkale, Turkey

11

Figura 134.1- Debris flow

SEDIMENT GRAVITY FLOWS

12

2) Debris flows

Figura 134.2- Debris flow

A Figura (134.3) mostra esquema da viscosidade, onde na parte inferioré fixa e na parte superior é aplicado cisalhamento com velocidade u.




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Figura 134.3- Viscosidade

O escoamento de lama mostra que o fluido em questão é não-newtoniano e as equações da hidrologia e da hidráulica não se aplicam. Afrequência com que pode acontecer o escoamento de lamas nada tem a vercom período de retorno normalmente adotado em hidrologia.

Os escorregamentos são causados devido a chuvas, neves e vulcões eacontecem em todo o mundo e pouco se conhece sobre o assunto.

Os cientistas tentam sempre prever quando acontecerão tais eventos deescorregamento, mas de modo geral as previsões são falhas.

Alguns cientistas como Campbel, 1975 citado por Costa, 1984determinaram a intensidade de chuva de 6,4mm/h precedida de 254mm deprecipitação. O IPT de São Paulo fez pesquisas para diversas cidades:Santos, Campos do Jordão e outras.

Geralmente o escoamento de lama começa com os taludes possuemmais de 15º a 20º.

Uma curiosidade é o transporte de matacões, que são pedaços de pedraque ficam flutuando na lama e já foi transportados pedaços de pedra com maisde 3.000 toneladas.

Um dos grandes especialistas no assunto no mundo é o dr. Julien Pierreda Universidade do Estado do Colorado nos Estados Unidos e aqui no Brasil odr. Faiçal Massad da EPUSP.




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134.2 Sedimento hiperconcentradoO termo escoamento hiperconcentrado segundo Jacob, 2010 foi

denominado pela primeira vez por Beverage e Culbertson em 1964.Conforme Chanson, 2010 as caracteristicas do escoamento

hiperconcentrado ainda não é bem conhecido. Sabe-se que é diferente doescoamento de aguas ditas claras e certas propriedades ainda não são bemconhecidas. No rio Amarelo na China temos grandes problemas deescoamento hiperconcentrado que sofreu erosão de 8,8m em 72h conformeChanson,2010 que acrescenta que tal escoamento deve ser continuamentemonitorado.

Chanson, 2010 cita que o rio Amarelo na China o escoamentohipersaturado chegou até 10% de sedimentos em volume sendo o principalmaterial as argilas e o restante silte e areia.

Conforme Jacob, 2010 o escoamento hiperconcentrado é aqueleconsiderado entre 4% de sedimentos em volume a 60% em volume. Quando aquantidade de sedimentos é menor que 4% em volume (10% em peso) entãotemos as enchentes normais e quando a quantidade de sedimentos é maiorque 60%em volume (80% em peso) então teremos escoamento denominadomudflow ou debris flow, isto é, lama propriamente dito.

Outra classificação feita por Jacob, 2010 é que o fluido pode serNewtoniano ou não Newtoniano. Se a quantidade de sedimento é menor que35% em volume, o fluido será considerado Newtoniano, caso contrario seránão-Newtoniano. Podemos deduzir facilmente que o escoamento Mudflow énão-Newtoniano e que o escoamento hiperconcentrado é metade Newtonianoe outra metade não-Newtoniano.

O escoamento hiperconcentrado se deve principalmente ao vulcanismoe de modo geral conforme Jacob, 2010 é menos perigoso que o debris flowdevido a sua baixa velocidade e tende a não transportar grandes matacões,mas atingem os córregos e rios e tendem a se depositar e aumentando asinundações pela diminuição da seção do canal.

Jacob, 2010 salienta que a característica fundamental que define oescoamento hiperconcentrado é o transporte de grandes quantidades desedimentos de grandes dimensões (areia e possivelmente pedregulho) emaltas concentrações em intermitente dinâmica suspensão.

Julien classifica quatro tipos de tensões que existem: tensão normal no fundo viscosidade tensão de turbulência tensão de dispersão




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No escoamento denominado mudfloods temos as tensões de turbulênciacomo dominantes conforme Julien e o mudflow tem predominante as tensõesnormais e viscosidade.

O escoamento denominado debris flow corresponde a escoamento ondepredomina as tensões dispersivas.

134.3 Mud floodO escoamento de enchente de lama é uma hiperconcentração de

partículas não-coesivas, como areia, cujo coeficiente de vazios Cv está emacima de 0,4.

Em geral o movimento é turbulento dependendo da rugosidade por ondeo mesmo estará.

134.4 MudflowNeste tipo de escoamento existe alta concentração de silte e argila.A lama é altamente viscosa e tem capacidade para flutuar matacões. O

coeficiente de vazios Cv varia entre 0,45 a 0,55.

134.5 Debris flowÉ uma mistura de materiais clásticos incluindo matacões e resíduos de

madeira que são lubrificados por partículas cujo mecanismo dominante é acolisão para dissipação de energia. O debris flow ocorre quando a massa desedimentos saturados com água em taludes com grande declividade emresposta a atração da gravidade. É o que aconteceu em Caraguatatuba em1967 conforme Figura (134.5) e em Santos em 1929 conforme Figura (134.6).

Debris flow também tem o nome de avalanche.Conforme VanDine, 1996 o debris flow pode ser dividido em debris flow

com declividade aberta e debris flow canalizado conforme Figura (134.4).Enfatizaremos somente o debris flow canalizado.A Suíça, Áustria e Japão são os países que possuem mais experiências

em debris flow.




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Figura 134.4- Escorregamentos

Figura 134.5- Debris flow em 20 de março de 1967 em Caraguatatuba/ SãoPaulo.




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Figura 134.6- Santos março de 1928

134.6 ReologiaReologia é a ciência que estuda as deformações.A viscosidade é a propriedade dos fluidos para a deposição das

partículas em suspensão e permite que as mesmas resistam a deformaçãoconforme Jacob, 2010. Com o aumento da concentração de sedimentos emsuspensão aquosa de silte e areia aumenta também a viscosidade.

No movimento de escoamento Newtoniano as águas claras sãodeformáveis na aplicação de tensões e possuem uma viscosidade constanteque é independente da tensão aplicada.

Conforme professor Ricardo Pedro:

Tipos de comportamentos reológicos1. Newtoniano




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Um fluido Newtoniano é aquele em que a viscosidade se mantém constantecom a variação da taxa de cisalhamento. Ver Figura (134.7).

Exemplos de materiais de comportamento Newtoniano são a água, muitos óleosminerais, betume, etc.

2. Não-NewtonianoTodos os fluidos que não apresentem o comportamento ideal descrito como

Newtoniano são chamados de Não-Newtonianos.Entre os fluidos não-Newtonianos pode-se distinguir dois grupos de

comportamentos reológicos: comportamentos dependentes da variação da taxa decisalhamento e comportamentos dependentes do tempo de ação do cisalhamento.

Figura 134.7- Cisalhamento

A partir destas colocações, pode-se definir mais cuidadosamente aReologia como a medida dos comportamentos de fluxo de líquidos, incluindoos que apresentam comportamento viscoelástico. Para que haja fluxo, deve-seinduzir o cisalhamento do fluido em questão.

Os parâmetros envolvidos em reologia são basicamente três: a tensãode cisalhamento, a taxa de cisalhamento e a viscosidade.

A tensão de cisalhamento t é definida como sendo a força F que,aplicada a uma área A da interface entre a superfície móvel e o líquido abaixo,provoca um fluxo na primeira camada de líquido e esta, na segunda, etc. Estasuperfície pode ser um plano, a parede de um tubo ou outras. A velocidade dofluxo que pode ser mantida por esta força pode ser controlado pela resistênciainterna do líquido, ou seja, pela viscosidade.




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t = F/A = N/m2 = Pa (Pascal)

A tensão de cisalhamento causa no líquido um fluxo. Uma máximavelocidade de fluxo (Vmax) aparecerá na camada em contato com a superfícieem movimento. A velocidade cai camada a camada conforme se atinjamcamadas mais afastadas daquela em contato direto com a superfície emmovimento até uma velocidade mínima (Vmín) próxima de zero, na camadaem contato com a superfície estacionária. A velocidade das camadas variainfinitesimalmente de Vmáx a Vmín com a altura (h) entre as superfícies emmovimento desde que o fluxo seja laminar. No fluxo laminar uma camada delíquido desloca-se então sobre as camadas adjacentes, contribuindo com umafração do movimento total.

A taxa de cisalhamento pode ser definida como a variação de velocidadede fluxo com a variação da altura (distância da superfície que provoca ocisalhamento).

Fluido newtoniano é um fluido em que cadacomponente da velocidade é proporcional ao gradiente develocidade na direção normal a essa componente. Aconstante de proporcionalidade é a viscosidade.

O comportamento newtoniano indica que a viscosidade dofluido é independente da taxa de deformação a que ele estásubmetido. Possui um único valor de viscosidade, em umadada temperatura. Exemplos: gases, água, leite, soluções desacarose, óleos vegetais, etc

Fluido não newtoniano não apresentam taxa dedeformação diretamente proporcional à tensão decisalhamento aplicada sob uma determinada área.

Figura 134.8- Fluidos newtoniano e não-newtoniano




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Nos estudos de reologia são uma aproximação muito consideradaaquela denominada o modelo de Bingham para explicar o comportamento dassuspensões silte/argila.

O modelo de Bingham foi feito em 1922 e usa a viscosidade de Binghamdenominada de µB e pode ser representado conforme Jacob, 2010 por:

τ= s + µB du/dy

Sendo:τ= tensão de cizalhamentos = tensão de deformação inicial (yeld stress)du/dy= gradiente da velocidade que é < 10 s-1

µB =viscosidade de BinghamConforme Jacob, 2010 foi feito um novo modela por Herschel-Bulkley,

1995.τ= s + µ (du/dy)n

O valor de n varia entre 0 e 1 quanto n=1 temos o modela de Bingham.Conforme testes reométricos a viscosidade de lama fina varia de 0,1Pa-s

a 50Pa-s, isto é, 100 a 50.000 vezes maior que a água pura. Uma lama demudflow tem normalmente tem tensão típica da ordem de 10 s-1.

As tensões devido a viscosidade são no máximo 500 Pa.Conforme Jacob, 2010 usando o modelo simples de Bingham com uma

dimensão temos:

τ= τy + µ dv/dzIntegrando teremos:

τ= sf + 3.µ vx /hSendo:h= espessura do debris flow (m)vx= velocidade do debris flow (m/s)sf= tensão do liquido= 100 Paµ= viscosidade 10 Pa-s.

Exemplo 134.1Supondo : sf= 100Pa vx= 10m/s h=1,00m µ = 10 Pa-s

τ= sf + 3.µ vx /hτ= 100 + 3x 10x10 /1,00= 400 Pa

Conforme Jacob, 2010. de modo geral a tensão não passa de 500 Pa. Na prática atensão fica numa faixa entre 10 a 400 Pa.




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Nota: a viscosidade do debris flow varia de 0,1 a 50 Pa-s que é cerca de50.000 vezes a viscosidade da água pura. A viscosidade normalmenteencontrada é 10 Pa-s conforme Jacob, 2010.

Tabela 134.2- Viscosidos de alguns Líquidos (a 20 °C):

viscosidade (Pa·s)

álcool etílico 0,248 × 10−3

acetona 0,326 × 10−3

metanol 0,597 × 10−3

álcool propílico 2,256 × 10−3

benzeno 0,64 × 10−3

água 1,0030 × 10−3

nitrobenzeno 2,0 × 10−3

mercúrio 17,0 × 10−3

ácido sulfúrico 30 × 10−3

óleo de oliva 81 × 10−3

oleo de rícino 0,985

glicerol 1,485polímero derretido 10³

piche 107vidro 1040

Sangue 4 × 10−3




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Unidades

No SI, a unidade da viscosidade cinemática ν é m²/s. No sistema CGS é utilizadaa unidade Stokes (St), sendo um Stokes igual a 10−4 m²/s [3] e dada a magnitude do seuvalor é preferível utilizar a forma centistokes.

A viscosidade absoluta tem como unidade Pa.s (N.s/m²) em unidades do SI. Essaunidade é normalmente expressa em mPa.s dado a sua magnitude. Outra formaconveniente, a partir do sistema CGS é o Poise, sendo um Poise igual a 0,1 Pa.s[3] ouseja, um centipoise (cP) é igual a 1 mPa.s

134.7 Equação quadrática de Julien e Lan, 1991Julien e Lan, 1991 apresentaram a equação quadrática para calcular as

tensões no escoamento de lama.τ= τy + η du/dy +ζ (du/dy) 2

Sendo:τ= tensãou= velocidadey= altura

134.8 Equação aproximada da velocidade de JulienConforme Julien para mudflows w debris flow podemos obter a

velocidade média aproximada da expressão logaritima.V= 5,75 x log (h/d50) (g.h.S) 0,5

Sendo:V= velocidade média do escoamento mudflow ou debris flow (m/s)h= altura da lama (m)d50= diametro da particula média com 50% de massa (m)g=9,81m/s2

S= declividade (m/m)

Exemplo 134.1- JulienDados h=3mD50= 50mmS=0,05m/mg=9,81m/s2

Calcular V=?V= 5,75 x log (h/d50) (g.h.S) 0,5

V= 5,75 x log (3,0/0,05) (9,81x3,00x0,05) 0,5

V=12,4m/s




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Exemplo 134.2Dada velocidade V= 12,4m/s, altura h=3,00m e largura = 20m. Calcular avazão máxima.Qmax= Area maxima x velocidadeQmax= 3,00 x 20 x 12=720m3/s

Exemplo 134.3Dado Q= 720m3/s calcular o volume VRichenmann, 1999

Qp= 0,1 . V 0,83

720= 0,1 . V 0,83

V= 42.540m3

O volume de debris flow será de 42.540m3.

134.9 Mitigação de debris flowA mitigação de debris flow pode ser dividido conforme VanDine, 1996

em duas partes: passivo e ativo.No escoamento passivo não se faz nada.No escoamento ativo se fazem obras para mitigar a situação.

134.10 VelocidadesJacob, 2010 apresenta várias equações para a velocidade que estão na

Tabela (134.3);Tabela 134.3-Velocidades




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134.11 Vazões em função do volume de debris flow

Tabela 134.3- Vazões em função do volume de debris flow. Fonte: Jacob,2010

134.12 Area inundada em função do volume de debris flowPara debris flow não vulcânico conforme Jacob, 2010 temos a fórmula

de Iverson, 1998 e Griswould, 2004.

B= 200 V (2/3) para debris flow vulcânicos e laharsB= 20 V (2/3) para debris flow não vulcânico

Sendo:B=area inundada de debris flowV= volume de debris flow

Lahar é uma palavra de origem javanesa e é usada para descrever oescoamento de mistura de de rocha, detritos, lama e água proveniente devulcões e o nome foi introduzido em 1934.

De modo geral o Debris flow tem volume variando entre 100m3 a 107m3

enquanto que os lahars os volume são bem maiores, variando de 10000m3 a109 m3.




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134.13 Vazão de pico da descarga

Qmax= Amax x VtSendo:Qmax= vazão de picoAmax= área máxima da seção transversal do debris flowVt= velocidade máxima quando temos a máxima área da seção transversal.

134.14 Ângulo do taludeConforme pesquisas no Japão os problemas de debris flow começam

com aproximadamente 8º a 10º.

Many debris flows are triggered by intense rainfallDebris flows may be expected for rainfall events that plot above

the intensity-duration threshold

Duration [hours]

Meanintensity[mm/h]

100

10

1

0.1

events, n=66threshold events, n=24non-events, n=23threshold

0.1 1 10 100

Im=43D-0.89

Background plot: Zimmermann et al., 1997, NFP 31

Figura 134.9- Intensidade da chuva em função da duração da chuvaanterior




134-17

Check DamsCheck dams arecommonly employed toarrest channeldowncutting and storesediment.

These can also beemployed to createflatter surfaces andretard development ofdestructive snouts onrapidly moving debrisflows.

Figura 135.10- Check dams

,

Debris Fences

• Debris fences can be designed to absorb the kineticimpacts of either rockfalls or debris flows.

• This shows a debris fence designed by GeobruggProtection Systems of Switzerland. These fencesemploy flexible anchors with spiral cable ties, a coiledring brake (fuse) on the restraining cable tieback, whichreleases after a threshold load impacts the system.

• Ring net barriers wereoriginally developed foruse as underwaterantisubmarine netsduring the SecondWorld War, by Alliedand Axis powers

Figura 134.11- Cerca para debris flow




134-18

134.15 FrequênciaO Japão não adota nenhum período de retorno.Na Áustria é adotado 150anos de período de retorno.Nos Estados Unidos em British Columbia adota-se 500anos.Não existe nenhuma maneira segura de se determinar o período de

retorno dos debris flow, diferentemente do que acontece em hidrologia.

134. 16 Força de impactoConforme Vandine, 1996 a força dinâmica de impacto do debris flow

pode ser estimada pela equação:

F=ρ. A. V2 sen βSendo:F= força dinâmicaρ = densidade do debris flowV= velocidade do escoamentoβ =ângulo entre a direção do escoamento e a face da estrutura

Existem algumas recomendações sobre a força de impacto que deve serfeita, Vandine, 1996 cita que Hung, 1984 sugere que a area frontal paracalculo da força de impacto seja aumentada de 1,5 na largura.

No Japão se considera o impacto, devendo a força ser multiplicado pordois.

134.17 SuperelevaçãoConforme Vandine,1996 a superelevação nas curvas ∆h pode ser

calculada pela equação:

∆h= j .b. V2/ (r .g)Sendo:∆h= superelevaçãoj= fator de correção devido a viscosidade e varia de 1 a 5b= largura da superfície do escoamentoV= velocidader= raio médio de curvaturag= aceleração da gravidade

134.18 Mudanças climáticasA influência climática no mundo devido ao El Nino começou segundo

alguns há 12.000 anos. Há 8400 anos e 5300 anos as evidências do El Nino éque era fraco.

O El Nino se faz influenciar pelo aumento das chuvas ou diminuição.




134-19

Tudo isto afeta a vegetação aumentando a frequência de incêndios,deixando o solo nú e causando debris flow na ocasião das chuvas.

134.19 Áreas ocupadas pelo Debris flowConforme Jacob, 2010 a faixa de área ocupada pelo Debris flow varia de

0,02km2 a 25km2 sendo a média das bacias de 2,5km2 e a mediana de0,65km2. Até o momento não houve influência de Debris flow em áreas acimade 25km2.

Jacob, 2010 apresenta a equação da área de debris flow nos AlpesItalianos.

B= 6,2 x V (2/3)

Sendo:B= área (m2)V= volume de debris flow (m3) que varia entre 10m3 a 100.000m3

134.20 Distância percorrida pelo Debris FlowJacob, 2010 apresenta equações para estimar a distância percorrida

pelo Debris Flow.log (H/L)= -1,05. log V – 0,012

R2= 0,76Sendo:H= diferença de nivel entre o ponto mais alto e o ponto mais baixoL= distancia horizontal percorrida (m)V= volume deslocado (m3) que varia de 100m3 a 10 10m3.

L= 1,03 V 0,105. H

Para os Alpes Suiços Richenmann, 1999 achou segundo Jacob, 2010 aequaçao.

L= 1,91 V 0,16. H 0,83

R2= 0,75L= varia de 300 a 12.600m.V= varia de 700m3 a 106 m3

H= varia de 110m a 1820m

134.21 Intensidade-duraçãoJacob, 2010 apresenta uma equação que fornece a intensidade de

chuva após uma duração de chuva D.

I = 7,0 D -0,6

Sendo:




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I= intensidade de chuva (mm/h)D= duração da chuva (h)

Esta ferramenta segundo Jacob, 2010 é usada para fins de avisos eplanejamento de emergência. O IPT de São Paulo fez equações semelhantespara algumas cidades do Estado de São Paulo como a feita para Cubatãocom duração D=84h na Figura (134.12).

Figura 134.12- IPT para Cubatão após chuva de 84h.

134.22 Obras mitigadoras para debris flow.Apresentamos algumas obras mitigadoras conforme VanDine, 1996.Segundo Jacob . 2010 há dois tipos de medidas mitigadoras, a passiva

onde não se faz nada e a ativa.Nas obras mitigadoras ativas procura-se mudar as probabilidades de

ocorrencia do debris flow ou procura manipular o proprio debris flow.Para o controle dos eventos de descarga do debris flow e decrescer tais

picos, pode-se fazer reservatórios de armazenamento, alargamento de canais,desvio do escoamento para áreas com menos consequências.




134-21

As obras mitigadoras para decrescer o pico de descarga são: medidasde reflorestamento, redirecionamento do runoff para outras áreas, drenagem,construções laterais, bypass, Check dams, etc.

Figura 134.13- Check Dam Fonte:VanDine, 1996

Figura 134.14- Barreiras laterais. Fonte:VanDine, 1996




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Figura 134.15- Debris rack antes da ponte. Fonte:VanDine, 1996




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Figura 134.16- Reservatório com barreira de detritos. Fonte:VanDine, 1996




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134.23 Bibliografia e livros consultados-CHANSON, HUBERT. The hydraulics of open channel flow: an introduction.2a ed. Elsevier, 2010, 585 páginas,USA, ISBN 978-0-7506-5978-9-FERREIRA, FERNANDA. Reologia dos fluidos.-JACOB, MATTHIAS E HUNGR, OLDRICH. Debris-flow hazards and relatedphenomena. Springer, 2010, 750 páginas, Alemanha. ISBN 978-3-642-05842-3.-JULIEN, PIERRE Y. Erosion and sedimentation, 2a ed. Cambridge, 2010,ISBN 978-0-521-83038-6, 371 páginas.-PARTHENIADES, EMMANUEL. Cohesive sediments in open channels.Elsevier, 2009, ISBN 978-1-85617-556-2-PEDRO, RICARDO. Reologia e modificadores reológicos.Acesso internet dia30/6/2012 http://www.freedom.inf.br/artigos_tecnicos/hc56/ricardopedro.asp-VANDINE, D.F. Debris flow control structures for forest engineering. BritishColumbia, 1996, 68 páginas.


http://www.freedom.inf.br/artigos_tecnicos/hc56/ricardopedro.asp

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