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DESCRIÇÃO Classificações, cálculo de escoamento em regime permanente e uniforme, energia específica, transições de seção, ressalto hidráulico, noções de cálculo em escoamento variado e seções compostas. PROPÓSITO Compreender o comportamento dos escoamentos em condutos livres e os procedimentos básicos para cálculo e dimensionamento. PREPARAÇÃO Antes de iniciar este conteúdo, certifique-se de que tem acesso à calculadora do seu dispositivo e tenha em mãos papel e caneta para possibilitar a resolução dos exercícios. Para solução de alguns problemas, é necessário ter acesso a um aplicativo de planilha eletrônica (ex.: Google Planilhas, Excel e OpenOffice Calc). OBJETIVOS MÓDULO 1 Calcular os parâmetros de escoamento em regime permanente e uniforme MÓDULO 2 Analisar o escoamento em condutos livres por meio da energia específica MÓDULO 3 Identificar o perfil do nível d’água em escoamentos variados MÓDULO 4 Reconhecer a performance de seções compostas ESCOAMENTO EM CONDUTOS LIVRES MÓDULO 1 Calcular os parâmetros de escoamento em regime permanente e uniforme INTRODUÇÃO CÁLCULO EM REGIME PERMANENTE E UNIFORME Escoamentos em condutos livres, comumente chamados de canais, são objetos de estudo em diversas áreas, como saneamento, drenagem, irrigação e navegação. Para dimensionar corretamente esses condutos, é necessário um conjunto de conhecimentos baseados na mecânica dos fluidos, que serão relembrados e aplicados aqui. CLASSIFICAÇÕES DE CANAIS LIVRES Existem dois tipos de escoamento estudados na Hidráulica: Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento. CONDUTO FORÇADO O fluido é impulsionado pela diferença de pressão, portanto, ela será diferente da atmosférica e variará ao longo da tubulação, mas a gravidade também pode contribuir. Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento. CONDUTO LIVRE O fluido é impulsionado apenas pela gravidade, e a pressão da sua superfície livre é constante e igual à atmosférica. Neste conteúdo, apresentaremos apenas a análise de condutos livres, que incluem rios, canais, galerias, bueiros, valetas e sarjetas. Esses condutos são aplicados em drenagem, irrigação, saneamento e navegação. Para simplificar, os condutos livres, de maneira geral, serão chamados de canais. Os canais podem ser classificados em: Foto: Shutterstock.com NATURAIS São os cursos d’água moldados pela natureza (ex.: rios e córregos). Foto: Shutterstock.com ARTIFICIAIS Construídos pelo homem, de seção aberta ou fechada (ex.: canais de irrigação, de navegação, galerias e bueiros). SAIBA MAIS Os canais naturais tendem a possuir meandros, que são mudanças bruscas de direção, como vimos em foto. No passado, com intuito de reverter as enchentes causadas pela ocupação das margens de rios, retificava-se os canais naturais, causando aumento de velocidade e, consequentemente, diminuição da altura d’água em determinadas seções. Com o tempo, percebeu-se que essa prática intensificava enchentes em seções mais abaixo (a jusante), transferindo o “problema” para bairros ou municípios vizinhos. Por isso, muitos países estão, atualmente, revertendo isso, naturalizando canais que foram retificados e adotando outras medidas para evitar as enchentes. Quanto à geometria da seção, os canais podem ser: Foto: Shutterstock.com PRISMÁTICOS Possuem seção transversal e declividade de fundo constantes ao longo do comprimento. Foto: Shutterstock.com NÃO PRISMÁTICOS Têm variações de seção, declividade do fundo ou revestimento. Usualmente, para possibilitar a modelagem com base nos métodos básicos, os canais não prismáticos são divididos em seções que podem ser simplificadas como trechos prismáticos. Portanto, estudaremos apenas esse tipo. O escoamento em canais pode ser classificado, em relação ao regime temporal, em permanente ou transiente e, em relação à declividade do nível d’água (N.A.), em uniforme ou variado − esse último sendo subdividido entre gradualmente e bruscamente variado. Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Classificação de escoamentos em canais. A imagem a seguir exemplifica a ocorrência de todas as possibilidades para um escoamento permanente ao longo de um mesmo canal. Após um comprimento suficientemente longo, o escoamento atinge o equilíbrio, permanecendo então o nível d’água (N.A.) constante, em relação ao fundo (paralelo). Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Escoamento permanente uniforme, gradualmente e bruscamente variado. Um obstáculo tende a causar a elevação do N.A., o que se propaga para montante em um efeito denominado remanso. A descida acentuada do obstáculo (ex.: vertedor − estrutura hidráulica utilizada para medição de vazão) força uma velocidade muito elevada, sendo reestabelecida para aquela correspondente ao equilíbrio após uma variação brusca, que é chamada de ressalto hidráulico. PRINCIPAIS PARÂMETROS GERAL Os parâmetros mais relevantes para o estudo do escoamento em canais são indicados na imagem a seguir: Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Parâmetros em canais. O significado de cada um desses parâmetros é detalhado no quadro a seguir: Símbolo Nome Descrição Área molhada Área da seção transversal efetivamente ocupada por água Perímetro molhado Comprimento ao longo da seção transversal onde há contato entre água e revestimento do canal Raio hidráulico Razão entre e Altura ou tirante d’água Altura da linha d’água a partir do fundo, medida na vertical Altura de escoamento Altura da linha d’água, medida na direção perpendicular ao fundo Largura de topo Distância entre margens na altura do N.A. A P Rh A P , Rh = A/P y h B Altura hidráulica ou média Razão entre e Equivale à altura que, multiplicada por , resulta em Declividade de fundo Razão entre redução da cota de fundo e distância horizontal percorrida. Por possuir valores pequenos, normalmente é medida em metro por quilômetro (m/km) Declividade da linha d’água Análogo à porém, referente à linha d’água Declividade da linha de energia Razão entre decréscimo da carga (energia) do escoamento e a distância horizontal percorrida Atenção! Para visualização completa da tabela utilize a rolagem horizontal Quadro 1: Parâmetros geométricos em canais. Elaborado por: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento A partir desses parâmetros, podemos calcular o número de Reynolds por: Equação 1 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Onde é a massa específica ( Hm A B, Hm = A/B. B A Io Δz Δx Ia Io, If ΔH Δx Re = ρVDh μ Dh = 4Rh ρ para água à 20°C), é a velocidade média do escoamento na seção (em m/s), é a viscosidade ( para água à 20°C) e é o diâmetro hidráulico, calculado por Se o escoamento é classificado como laminar e, se como turbulento. Entre esses valores ocorre uma transição. Se você calcular o para qualquer combinação de valores típicos de escoamento em canais, verá que será sempre turbulento. Sendo assim, o adimensional (sem unidade de medida) mais relevante para escoamento em canais passa a ser o número de Froude, definido por: Equação 2 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Que classifica o escoamento em: : subcrítico (fluvial). : crítico. : supercrítico (torrencial). SEÇÕES TRAPEZOIDAIS Uma seção transversal trapezoidal pode ser representada por três parâmetros geométricos: largura de fundo altura (tirante) e declividade de talude, como podemos ver na imagem a seguir. Esse último, comumente, é medido pela razão entre comprimento e altura da rampa do talude, que aqui chamaremos de ρ = 998kg/m³, V μ μ = 0, 001kg/m. s, Dh Dh = 4Rh. Re < 2000, Re > 8000, Re Fr = V √gHm Fr < 1 Fr = 1 Fr > 1 b, y Z. Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Imagem 7: Parâmetrosgeométricos da seção trapezoidal. Sendo assim, a área largura de topo perímetro molhado e raio hidráulico serão obtidos por: Equação 3 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Observe que esses parâmetros também podem representar seção triangular e retangular SEÇÕES CIRCULARES As seções circulares, por sua vez, podem ser definidas apenas com o diâmetro A, B, P Rh A = (b + Zy)y B = b + 2Zy P = b + 2y√1 + Z2 Rh = = A P ( b+Zy ) y b+2y√1+Z2 (b = 0) (Z = 0). e a altura. Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Imagem 8: Parâmetros geométricos da seção circular. Para simplificar, vamos fazer o equacionamento com base no ângulo interno Sendo assim: Equação 4 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Vamos ver um exemplo. EXEMPLO 1 Em um canal regular de seção trapezoidal de declividade constante, com largura de fundo igual a 1,50m, inclinação dos taludes 2H:1V, a altura d’água é igual a 0,65m e a velocidade média, 0,70m/s. Classifique o escoamento com base nos números de Reynolds e Froude. D θ. A = D2 ( θ−senθ ) 8 B = Dsen( )θ2 P = θD2 Rh = = D A P (θ−senθ) 4θ θ = 2 arccos(1 − 2 )y D javascript:void(0) RESOLUÇÃO Os parâmetros da seção transversal serão: ; (razão entre o comprimento e altura do talude) e Com base nas equações em 3: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal E: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Então: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Pela equação 1: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A altura hidráulica, conforme o Quadro 1 é definida por: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal E pela equação 2: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Portanto: Como o escoamento é turbulento. Como , o escoamento é subcrítico (ou fluvial). TALUDES Terreno de plano inclinado que delimita um aterro. CÁLCULO DO ESCOAMENTO PERMANENTE E UNIFORME EQUAÇÃO DA TENSÃO CISALHANTE b = 1, 5m Z = 2 y = 0, 65m A =(b + Zy)y =(1, 5 + 2 ⋅ 0, 65)⋅0, 65 = 1, 82m2 B = b + 2Zy = 1, 5 + 2 ⋅ 2 ⋅ 0, 65 = 4, 10m P = b + 2y√1 + Z2 = 1, 5 + 2 ⋅ 0, 65 ⋅ √1 + 22 = 4, 4m Rh = = = 0, 42m A P 1,85 4,41 Dh = 4Rh = 4 ⋅ 0, 42 = 1, 68m Re = = = 1, 2 ⋅ 106 ρVDh μ 998⋅0,70⋅1,68 10−3 Hm = = = 0, 44m A B 1,82 4,1 Fr = = = 0, 34V √gHm 0,7 √9,8⋅0,44 Re > 8000, Fr < 1 javascript:void(0) CISALHANTE Tensões tangenciais à superfície que podem gerar torque, também conhecidas como tensões cortantes. Essas formas podem ser aplicadas em sentidos iguais ou opostos. Neste tópico, vamos equacionar o escoamento quando ele é permanente e uniforme, o que classifica a maior parte dos cálculos feitos em projetos de canais. Assumiremos uma distribuição hidrostática de pressão ao longo da profundidade, o que tem boa precisão se a declividade do fundo não tiver uma variação acentuada. Há também uma variação da velocidade ao longo da seção transversal, que vai de zero junto à parede até um valor máximo, que estará um pouco abaixo da superfície. O valor não será máximo na superfície devido ao cisalhamento na interface ar-água. Na imagem a seguir, é representado um trecho de canal com escoamento permanente e uniforme: Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Imagem 9: Forças atuando no escoamento permanente e uniforme de canais. Analisaremos as forças que atuam em um volume de controle (V.C.) com comprimento L, sendo elas: Imagem: Danielle Ribeiro Projeção do peso na direção do escoamento calculado pelo peso específico W (x), multiplicado pelo volume do onde é o produto da massa específica pela gravidade Imagem: Danielle Ribeiro Resultantes e da pressão distribuída nas aberturas de entrada e saída do respectivamente. Imagem: Danielle Ribeiro Força de resistência decorrente da tensão cisalhante (“atrito”) do líquido com o revestimento do canal. Vamos desprezar a resistência causada pelo ar, na superfície. O somatório das forças atuantes deve ser nulo, pois o escoamento é permanente: γ V V .C. , γ (γ = ρg). F1 F2 V .C. , τ0 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Onde é a área de contato entre o revestimento do canal e o líquido que escoa, e é o volume do Em se tratando de escoamento uniforme (linha d’água paralela ao fundo), a altura d’água é constante, portanto, a força será igual à considerando-se distribuição hidrostática de pressão Sendo assim: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Para pequenos ângulos de fundo − o que quase sempre ocorre para as aplicações que objetivamos −, o seno é, aproximadamente, igual à tangente que, por sua vez, é igual à declividade de fundo (Quadro 1) . Então, a expressão anterior se reduz a: Equação 5 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Onde é em Pa, e em m/m. Vamos ver um exemplo. EXEMPLO 2 Qual é a tensão cisalhante na parede de um tubo de esgoto com 80cm de diâmetro e preenchido até meia seção em um trecho com declividade de 0,50m/km? ∑Fx = F1 + γ∀=γAL W ⋅ senα − F2 − τ0 ⋅ PL Ar = 0 Ar V V .C. F1 F2, (p = ρgy). τ0PL = γAL senα I0 τ0 = = ρg γ RhI0 γAI0 P τ0 I0 RESOLUÇÃO Conforme a equação (4), sendo para meia seção (Figura 8): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Pela equação (5), adotando a massa específica da água: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Esse é o valor mínimo de tensão cisalhante exigido pela norma NBR 9649 – Projeto de redes coletoras de esgoto sanitário. O objetivo dessa recomendação é forçar uma “autolimpeza” dos tubos, evitando a sedimentação nas paredes. EQUAÇÃO DE MANNING Um parâmetro bastante útil é a velocidade de atrito, definida como Substituindo-se essa relação da equação (5), obtemos Equação 6 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Que é conhecida como equação de Chézy. Manning estabeleceu que originando a expressão: ou Equação 7 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Ambas são correspondentes ao Sistema Internacional de Unidades − S.I. (vazão em m³/s). Conhecida como equação de Manning, onde θ = 180° = π A = D2 = (0,80)2 ⋅ = 0,25m²( θ−sen θ ) 8 (π−senπ ) 8 P = = = 1,26mθD 2 π⋅0,80 2 Rh = = 0,20m A P τ0 = ρgRhI0 = 1000 ⋅ 9,8 ⋅ 0,2 ⋅ ≅1,0Pa 0,5 1000 u∗ = √τ0/ρ = V√f/8. V = C √ √RhI0 8g f C = R 1/6 h n V = R 2/3 h I 1/2 0 1 n Q = R 2/3 h I 1/2 0 A n n é um coeficiente que está relacionado à rugosidade do revestimento do canal, como vemos no quadro 2. Material Condições Muito boa Boa Regular Má Tubos de concreto 0,012 0,013 0,015 0,016 Superfícies de argamassa de cimento 0,011 0,012 0,013 0,015 Superfícies de cimento alisado 0,010 0,011 0,012 0,013 Alvenaria de pedra argamassada 0,017 0,020 0,025 0,030 Calhas metálicas lisas (semicirculares) 0,011 0,012 0,013 0,015 Canais abertos em rocha (irregular) 0,035 0,040 0,045 - Canais c/ fundo em terra e talude c/ pedras 0,028 0,030 0,033 0,035 Canais c/ leito pedregoso e talude vegetado 0,025 0,030 0,035 0,040 Canais com revestimento de concreto 0,012 0,014 0,016 0,018 Canais de terra (retilíneos e uniformes) 0,017 0,020 0,023 0,025 Gabião 0,022 0,030 0,035 - Tubos de ferro galvanizado 0,013 0,014 0,015 0,017 Córregos e rios limpos, retilíneos e uniformes 0,025 0,028 0,030 0,033 Igual à anterior, porém c/ pedras e vegetação 0,030 0,033 0,035 0,040 Igual à anterior, com meandros, bancos e poços, limpos 0,035 0,040 0,045 0,050 Margens espraiadas, pouca vegetação 0,050 0,060 0,070 0,080 Margens espraiadas, muita vegetação 0,075 0,100 0,125 0,150 Atenção! Paravisualização completa da tabela utilize a rolagem horizontal Quadro 2: Valores de coeficiente de Manning. Extraído de Porto (2004). Determinar esses valores pode ser uma tarefa trabalhosa, pois o projetista deve comparar o tipo de revestimento com os disponíveis na literatura, levando em consideração as condições. Além disso, observa-se, pela equação de Manning, que o n tem um impacto expressivo no cálculo, o que torna ainda mais crítica a escolha do valor a ser adotado. Vejamos um exemplo. EXEMPLO 3 Para o exemplo anterior, considerando que os tubos são de concreto em boas condições, calcule a vazão escoada. Dados do problema anterior: tubo de esgoto com 80cm de diâmetro e preenchido até meia seção em um trecho com declividade de 0,50m/km. RESOLUÇÃO Já calculamos, no exemplo anterior, que e . Para tubo de concreto em boas condições, , conforme quadro 2. Segundo a equação de Manning 7: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Quando conhecemos a altura d’água (tirante) e desejamos calcular a vazão, a solução da equação 7 de Manning é simples e direta, pois podemos calcular o raio hidráulico e a área. Quando o problema é o contrário, ou seja, conhecemos a vazão e desejamos saber a altura, o resultado não é facilmente obtido pela equação 7. Uma alternativa é implementar essa equação em uma calculadora científica ou planilha eletrônica e testar diversos valores de até que o calculado seja o desejado, o que constitui um método de tentativa e erro. SAIBA MAIS Uma alternativa de cálculo automatizado da profundidade é através de recursos de otimização disponíveis em planilhas eletrônicas como “Solver” e “Atingir meta” do Excel. Com eles, é possível fazer com que o computador procure o valor da variável de entrada para que a vazão calculada seja igual a um determinado valor. Experimente fazer os próximos exemplos com esses recursos. Veremos, a seguir, um método que possibilita o cálculo manual da altura a partir de uma determinada vazão. CÁLCULO DA ALTURA Em um projeto de canais, normalmente, os dados de partida para o dimensionamento dos condutos são: VAZÃO Resultado de uma análise hidrológica, ou seja, previsão de intensidade de chuva, normalmente feita com base em estudo estatístico da série histórica em uma determinada região. Trata-se de um dado crítico, pois nem sempre se possui medições de precipitação de longo período, necessárias para uma boa previsão, que também pode ser subdimensionada devido às mudanças climáticas. DECLIVIDADE DE FUNDO Será função das diferenças de cotas possibilitadas pela topografia. A = 0,25m² Rh = 0,20m n = 0, 013 Q = R 2/3 h I 1/2 0 = (0,2) 2/3( ) 1/2 = 0,15m3/sA n 0,25 0,013 0,5 1000 y Q y, TIPO DE REVESTIMENTO Deve ser determinado em fases iniciais do projeto, com base no tipo de empreendimento e na experiência com outros casos semelhantes. Sendo assim, resta calcular qual será a altura d’água para uma determinada seção. Portanto, é conveniente adequarmos a equação 7 de Manning, deixando de um lado os dados de entrada e, do outro, o que deverá ser calculado: Equação 8 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal SEÇÃO RETANGULAR MUITO LARGA (B >> Y) Em uma seção retangular, a área, o perímetro molhado e o raio hidráulico são calculados por: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Se o canal for muito largo, o que significa o no denominador da fórmula de passa a ser desprezível, quando somado à e, portanto: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Substituindo-se essa relação na equação de Manning 8: = A R 2/3 h nQ √I0 A = by P = b + 2y Rh = = A P by b+2y b ≫ y, y Rh b, Rh ≅ = y by b Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal E isolando a altura: Equação 9 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Essa é a única condição em que é possível calcular, analiticamente, a altura d’água com cálculo exato e direto. SEÇÃO TRAPEZOIDAL (INCLUINDO RETANGULAR E TRIANGULAR) Substituindo o raio hidráulico e a declividade de fundo conforme a equação 3, a equação anterior pode ser rearranjada como: Equação 10 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Onde é um adimensional definido para facilitar a obtenção da altura em canais trapezoidais. Variando-se os valores de e é possível montar uma tabela ou gráfico que forneça, para um determinado valor de e o valor de =(by) y2/3 nQ √I0 y = ( ) 3/5 nQ b√I0 KTy = = ( ) 5/3nQ b8/3 √Io y b [ 1+( )Z ] 5/3 y b [ 1+2( )√1+Z²] 2/3 y b KTy y y/b Z, KTy Z, y. Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Imagem 10: Cálculo da altura d’água para canais trapezoidais (parte 1). Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Imagem 11: Cálculo da altura d’água para canais trapezoidais (parte 2). Vamos ver um exemplo. EXEMPLO 4 Calcule o tirante de um canal de seção retangular com largura de 1,5m aberto em rocha em condições regulares, declividade de fundo de 0,4m/km e vazão de 0,30m³/s. RESOLUÇÃO Para canal retangular, (imagem 7). Nesse problema, (quadro 2). Conforme a equação 10: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Buscando esse valor no eixo das abscissas no gráfico da Figura 11 e cruzando com a primeira curva Z = 0 n = 0, 045 KTy = = = 0,23 nQ b8/3 √Io 0,045⋅0,3 ( 1,5 ) 8/3√ 0,4 1000 obtemos: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Observa-se que não se espera uma precisão muito elevada nesse cálculo, tendo em vista todas as variantes do problema. Caso o dado de entrada seja e quisermos calcular a equação (10) pode ser reescrita obtendo-se: Equação 11 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Onde é um adimensional definido para facilitar a obtenção da base em canais trapezoidais através da imagem 12 e da imagem 13. Um exemplo de adoção desse caminho de cálculo é quando há uma restrição para escavação, limitando a profundidade do canal, ou seja, a altura d’água. Então, esse valor máximo passa a ser um dado de entrada, e nos resta saber qual será a largura necessária. Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Imagem 12: Cálculo da base de canais trapezoidais (parte 1). (Z = 0), = 0,56 → y = 1,5 ⋅ 0,56 = 0,84m y b y b, KTb = ( ) 3/8 = y0[ ] 1/8 nQ √Io (m+Z ) 5 (m+2√1+Z²) 2 KTb b Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Imagem 13: Cálculo da base de canais trapezoidais (parte 2). CANAIS CIRCULARES Para seção circular, substituiremos as equações de 4 na de Manning 8: e Equação 12 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Variando-se o valor de entre 0° e 360°, é possível montar uma tabela ou gráfico como na imagem 14, que relaciona com o adimensional KC = ( ) 3/8 = [ ] 1/8 1 D nQ √I0 ( θ−se n θ ) 5 213 θ2 = (1 − cos )y0 D 1 2 θ 2 θ y/D KC. Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Imagem 14: Cálculo da altura d’água para canais circulares. Nesse gráfico, observamos que há um valor máximo de vazão e que ele ocorre para ou seja, quando a altura da seção circular está 94% preenchida. Nessa situação, Vamos ver um exemplo. EXEMPLO 5 Determine o tirante em uma galeria de águas pluviais de concreto com diâmetro de 1,0m e declividade de fundo de 3m/km, transportando uma vazão de 850L/s em regime permanente e uniforme. RESOLUÇÃO Pela equação 12: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Consultando no gráfico da imagem 14, obtemos: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal EFICIÊNCIA HIDRÁULICA DE SEÇÕES Analisando-se a equaçãode Manning 8, constatamos que, para uma determinada área a vazão será máxima quando o perímetro molhado y/D = 0, 94, KC = 0, 664. n = 0, 013, KC = ( ) 3/8 = ⋅ ( ) = 0,551 D nQ √I0 1 1,0 0,013⋅0,85 √0,003 3 8 = 0,59 → y = 1,0 ⋅ 0,59 = 0,59m y D A, Q P for mínimo, pois está no denominador do raio hidráulico Essa seria uma condição de máxima eficiência hidráulica. Além disso, o perímetro molhado está diretamente associado ao custo da obra, pois o revestimento assume uma parcela significativa. Portanto, o mínimo perímetro molhado é uma condição desejável para otimização do dimensionamento do projeto. Para calculá-lo em uma seção trapezoidal, vamos reescrever as equações em 3, substituindo: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Onde é chamado de razão de aspecto. Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Para encontrar o valor de para o qual é mínimo, faremos: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Que fornece: Equação 13 Rh = A/P . m = b y m A =(m + Z)y2 → y = A 1/2 (m+Z ) 1/2 P =(m + 2√1 + Z2)y A =(m + Z)y2 → y = P =(m + 2√1 + Z2)y ⎫⎪ ⎬ ⎪⎭ → P =(m + 2√1 + Z2) A1/2 (m+Z ) 1/2 A1/2 (m+Z ) 1/2 m P = 0dP dm m = = 2(√1 + Z²− Z)b y Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A combinação entre as equações em 3 e a equação de Manning 8 pode ser refeita, explicitando-se E: Equação 14 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Onde é chamado de coeficiente dinâmico, medido em metros, e é o fator de forma (adimensional). Portanto, se desejamos calcular uma seção com máxima eficiência hidráulica, o valor da razão de aspecto m deve ser obtida por 13, depois a altura de escoamento é calculada por 14. Por fim, a base é dimensionada a partir da definição da razão de aspecto, Vamos ver um exemplo. EXEMPLO 6 Qual deve ser a razão de aspecto (razão entre base e altura) de um canal trapezoidal com taludes 2,5H:1V para que haja a máxima eficiência hidráulica? RESOLUÇÃO Para a proporção entre comprimento e altura do talude do enunciado, Pela equação 13, a condição de máxima eficiência, que corresponde ao mínimo perímetro molhado, é obtida por: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Ou seja, a base deve ser m : M = ( ) 3/8 nQ √I0 Km = [ ] 1/8 (m+Z ) 5 (m+2√1+Z2 ) 2 y = M Km M Km y b = ym. Z = 2, 5. m = = 2(√1 + Z²− Z)= 2(√1 + (2,5)²− 2,5)= 0,38by MÃO NA MASSA 1. (CETESB – ENGENHEIRO CIVIL − 2013) PARA O CONDUTO LIVRE DE SEÇÃO CIRCULAR, COM DIÂMETRO INTERNO DE 100MM, QUE DEVE TRANSPORTAR ÁGUA À MEIA SEÇÃO, O SEU RAIO HIDRÁULICO, EM MILÍMETROS, É: A) 15 B) 25 C) 30 D) 50 E) 60 2. CALCULE A ALTURA D’ÁGUA EM UMA GALERIA DE DRENAGEM FEITA EM CONCRETO DIÂMETRO IGUAL A 80CM, DECLIVIDADE DE FUNDO TRANSPORTANDO UMA VAZÃO DE 600L/S EM REGIME PERMANENTE E UNIFORME. A) 0,25m B) 0,57m C) 0,46m D) 0,50m E) 0,34m 3. QUAL É A RELAÇÃO ENTRE AS VAZÕES TRANSPORTADAS, EM REGIME PERMANENTE E UNIFORME, EM UMA GALERIA DE ÁGUAS PLUVIAIS, COM LÂMINA D’ÁGUA IGUAL A 2/3 DO DIÂMETRO E À MEIA SEÇÃO. ATENÇÃO! PARA VISUALIZAÇÃO COMPLETA DA EQUAÇÃO UTILIZE A ROLAGEM HORIZONTAL A) 1,18m B) 1,38m C) 0,85m b = 0, 38 y. n = 0, 013, I0 = 4m/km, ( ) 3/8 = 1,18 ∴ = 1,56 Q1 Q2 Q1 Q2 D) 0,94m E) 1,55m 4. (ENADE − ENGENHARIA − 2011) O RAIO HIDRÁULICO É UM PARÂMETRO IMPORTANTE NO DIMENSIONAMENTO DE CANAIS, TUBOS, DUTOS E OUTROS COMPONENTES DAS OBRAS HIDRÁULICAS. ELE É IGUAL À RAZÃO ENTRE A ÁREA DA SEÇÃO TRANSVERSAL MOLHADA E O PERÍMETRO MOLHADO. PARA A SEÇÃO DE CANAL TRAPEZOIDAL ILUSTRADA NA FIGURA ANTERIOR, QUAL É O VALOR DO RAIO HIDRÁULICO? A) 0,92m B) 0,83m C) 0,78m D) 0,68m E) 0,50m 5. (CETESB – ENGENHEIRO CIVIL − 2008) DADO O CANAL TRAPEZOIDAL DA FIGURA COM PROFUNDIDADE DE ESCOAMENTO IGUAL A 2,0M, O RAIO HIDRÁULICO VALE APROXIMADAMENTE: A) 11,00m B) 6,50m C) 2,00m D) 1,36m E) 0,72m 6. (PORTO, 2004) UM CANAL DE DRENAGEM, EM TERRA COM VEGETAÇÃO RASTEIRA NOS TALUDES E FUNDO, CUJO COEFICIENTE DE MANNING É COM TALUDES 2,5H:1V E DECLIVIDADE DE FUNDO FOI DIMENSIONADO PARA UMA DETERMINADA VAZÃO DE PROJETO TENDO-SE CHEGADO A UMA SEÇÃO COM LARGURA DE FUNDO E ALTURA DE ÁGUA SE O PROJETO DEVE SER REFEITO PARA UMA VAZÃO E A SEÇÃO É RETANGULAR, EM CONCRETO, QUAL SERÁ, APROXIMADAMENTE, A ALTURA DE ÁGUA PARA UMA LARGURA DE FUNDO IGUAL AO DOBRO DA ANTERIOR? A) 2,8m B) 1,7m C) 1,0m D) 1,2m E) 2,1m GABARITO 1. (CETESB – Engenheiro civil − 2013) Para o conduto livre de seção circular, com diâmetro interno de 100mm, que deve transportar água à meia seção, o seu raio hidráulico, em milímetros, é: A alternativa "B " está correta. Conforme a equação (3): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal E: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal O raio hidráulico então será: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal 2. Calcule a altura d’água em uma galeria de drenagem feita em concreto diâmetro igual a 80cm, declividade de fundo transportando uma vazão de 600L/s em regime permanente e uniforme. A alternativa "D " está correta. Conforme a equação (12), convertendo os dados para o S.I., teremos: n = 0, 14, I0 = 30cm/km, Q0, b = 1, 75m y 0 = 1, 40m. Q1 = 6, 0m 3/s A = = = = 1250πm²D 2 ( θ−senθ ) 8 1002 (π−0 ) 8 1002π 8 P = = = 50πmθD 2 π100 2 Rh = = = 25m A P 1250π 50π n = 0, 013, I0 = 4m/km, KC = ( ) 3/8 = ( ) 3/8 = 0,571 D nQ √I0 1 0,8 0,013⋅ 600 1000 √ 4 1000 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Consultando o gráfico da Figura 14: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal 3. Qual é a relação entre as vazões transportadas, em regime permanente e uniforme, em uma galeria de águas pluviais, com lâmina d’água igual a 2/3 do diâmetro e à meia seção. Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A alternativa "E " está correta. Para alturas d’água iguais a e , os coeficientes valem, de acordo com o gráfico da Figura 14, 0,59 e 0,50, respectivamente. Pela equação (12): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Também é possível resolver esse problema diretamente pela fórmula de Manning (8). 4. (ENADE − Engenharia − 2011) O raio hidráulico é um parâmetro importante no dimensionamento de canais, tubos, dutos e outros componentes das obras hidráulicas. Ele é igual à razão entre a área da seção transversal molhada e o perímetro molhado. Para a seção de canal trapezoidal ilustrada na figura anterior, qual é o valor do raio hidráulico? A alternativa "D " está correta. Os parâmetros geométricos da seção são: = 0,62 y D → y = 0,8 ⋅ 0,62 ≅0,50m ( ) 3/8 = 1,18 ∴ = 1,56 Q1 Q2 Q1 Q2 = ≅0,67 y0 D 2 3 = = 0,50 y0 D D 2 KC = = ( ) KC1 KC2 ( )1 D nQ1 √I0 3 8 ( )1 D nQ2 √I0 3 8 Q1 Q2 3 8 → = ( ) = ( ) = 1,55Q1 Q2 KC1 KC2 8 3 0,59 0,50 8 3 y = 1m b = 3m A largura de topo será: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A área do trapézio é: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal O perímetro molhado (comprimento de contato entre água e revestimento) é: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal O raio hidráulico é definido por: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Esse problema também poderia ser resolvido, diretamente, pela equação (3). 5. (CETESB – Engenheiro civil − 2008) Dado o canal trapezoidal da figura com profundidade de escoamento igual a 2,0m, o raio hidráulico vale aproximadamente: A alternativa "D " está correta. Os parâmetros geométricos da seção são: Diferentemente da questão anterior, vamos resolver esseproblema diretamente pela equação (3). Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal 6. (PORTO, 2004) Um canal de drenagem, em terra com vegetação rasteira nos taludes e fundo, cujo coeficiente de Manning é com taludes 2,5H:1V e declividade de fundo Z = 3/4 = 0, 75 B = 3 + 2 ⋅ 1 ⋅ = 4,5m3 4 A = y = ⋅ 1 = 3,75m²B+b 2 4,5+3 2 P = 3 + 2 ⋅ √12 + (0,75)2 = 5,5m Rh = = = 0,68m A P 3,75 5,5 y = 2, 00m b = 6, 00m Z = 1, 5/2 = 0, 75 Rh = = = = 1,36m A P ( b+Zy ) y b+2y√1+Z2 ( 6+0,75⋅2 ) 2 6+2⋅2√1+0,752 n = 0, 14, I0 = 30cm/km, foi dimensionado para uma determinada vazão de projeto tendo-se chegado a uma seção com largura de fundo e altura de água Se o projeto deve ser refeito para uma vazão e a seção é retangular, em concreto, qual será, aproximadamente, a altura de água para uma largura de fundo igual ao dobro da anterior? A alternativa "C " está correta. CÁLCULO DA ALTURA D’ÁGUA EM ESCOAMENTO UNIFORME GABARITO TEORIA NA PRÁTICA Um canal deverá ser dimensionado para drenagem de uma área de 14.400m², considerando intensidade de chuva de 50mm/h. O conduto terá um comprimento de 150m, estando a montante na cota 15,56m e a jusante em 15,50m, com uma declividade constante. Após um estudo de compatibilidade com a planta urbanística do local, foi estabelecida a seção a seguir, que será revestida com concreto em boas condições. Dimensione a altura da seção para que haja uma folga de 20%. Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento RESOLUÇÃO DIMENSIONAMENTO DE SEÇÕES Q0, b = 1, 75m y 0 = 1, 40m. Q1 = 6, 0m 3/s VERIFICANDO O APRENDIZADO 1. UM CANAL TRAPEZOIDAL COM TALUDES 2H:1V, DECLIVIDADE DE FUNDO I0 = 1M/KM, REVESTIMENTO DOS TALUDES E FUNDO EM ALVENARIA DE PEDRA ARGAMASSADA EM CONDIÇÕES REGULARES DEVE TRANSPORTAR UMA VAZÃO Q = 6,5M3/S. CALCULE A VELOCIDADE MÉDIA PARA QUE A SEÇÃO TENHA MÁXIMA EFICIÊNCIA HIDRÁULICA, OU SEJA, MÍNIMO PERÍMETRO MOLHADO. (UTILIZE UMA RAZÃO DE ASPECTO M = B/Y0 = 4.) A) 6,3m/s B) 1,0m/s C) 0,6m/s D) 2,3m/s E) 1,3m/s 2. QUAL A VAZÃO MÁXIMA QUE PODE SER TRANSPORTADA EM UM CONDUTO DE SEÇÃO CIRCULAR DE 1,0M DE DIÂMETRO EM CONCRETO COM CONDIÇÕES MUITO BOAS TENDO DECLIVIDADE DE 2M/KM? A) 1,50m³/s B) 1,25m³/s C) 1,20m³/s D) 1,00m³/s E) 0,90m³/s GABARITO 1. Um canal trapezoidal com taludes 2H:1V, declividade de fundo I0 = 1m/km, revestimento dos taludes e fundo em alvenaria de pedra argamassada em condições regulares deve transportar uma vazão Q = 6,5m3/s. Calcule a velocidade média para que a seção tenha máxima eficiência hidráulica, ou seja, mínimo perímetro molhado. (Utilize uma razão de aspecto m = b/y0 = 4.) A alternativa "B " está correta. Os parâmetros fornecidos são: Z = 2. I0 = 1/1000 = 0, 001m/m. (Quadro 2). Para que haja o mínimo perímetro molhado, devemos respeitar a equação (13): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Aplicando-se esse valor na equação (14): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal E: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A largura de fundo será: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Conforme a equação (3): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal E a velocidade média, por fim, será: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal 2. Qual a vazão máxima que pode ser transportada em um conduto de seção circular de 1,0m de diâmetro em concreto com condições muito boas tendo declividade de 2m/km? A alternativa "B " está correta. Os parâmetros fornecidos são: (quadro 2). Conforme vimos em Seções circulares, a vazão máxima ocorre para e n = 0, 025 Q = 6, 5m³/s. m = = 2(√1 + Z²− Z)= 2(√1 + 2²− 2)= 0,47by M = ( ) 3/8 = 1, 85m 0,025⋅6,5 √0,001 Km = [ ] 1/8 = [ ] 1/8 = 1,18 (m+Z ) 5 (m+2√1+Z2 ) 2 ( 0,47+2 ) 5 ( 0,47+2√1+22 ) 2 y = = = 1, 56mM Km 1,85 1,18 b = my = 0,47 ⋅ 1,56 = 0, 74m A =(b + Zy)y =(0,74 + 2 ⋅ 1,56)⋅1,56 = 6, 02m² V = = ≅1, 0m/s Q A 6,5 6,02 D = 1, 0m. n = 0, 012 I0 = 2/1000 = 0, 002. y/D = 0, 94 Partindo da equação (12): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal MÓDULO 2 Analisar o escoamento em condutos livres por meio da energia específica ENERGIA ESPECÍFICA ENERGIA ESPECÍFICA E RESSALTO HIDRÁULICO A carga (energia) do fluido numa seção i do canal é obtida por: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Onde KC = 0, 66. KC = ( ) 3/8 1 D nQ √I0 → Q = (DKC) 8/3 = (1 ⋅ 0,664) 8/3 = 1,25m3/s √I0 n √0,002 0,012 Hi = zi + + α pi γ V 2 i 2g zi e são a cota e a pressão no fundo e é a velocidade média ao longo da seção. Considerando uma distribuição hidrostática de pressão, Além disso, para canais prismáticos, o coeficiente de correção da carga cinética então: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Observa-se que, em canais, mesmo no escoamento mais simples possível (permanente e uniforme), diminui ao longo do escoamento, consequentemente, também. Sendo assim, para simplificar, é adotado o conceito de energia específica, definida por A equação anterior pode ser reescrita por: Equação 15 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A magnitude de em uma determinada seção do canal, também pode ser definida graficamente, conforme a imagem 15, a seguir: Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Imagem 15: Energia específica. Essa é, então, uma grandeza mais conveniente de se analisar, pois em um escoamento permanente uniforme ( pi Vi pi = γyi. α ≅1, Hi = zi + yi + V 2i 2g zi Hi Ei = Hi − zi. Ei = yi + V 2 2g E, y e constantes), também será constante. Conforme vimos no Módulo 1, um dos dados de entrada comum para dimensionamento de canais é a vazão, então a equação anterior pode ser reescrita, substituindo Equação 16 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal CURVAS DE ENERGIA PARA CANAIS RETANGULARES Para canais retangulares, e a vazão pode ser expressa através da vazão unitária Então: Equação 17 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Onde é medido em m³/s.m. Mantendo-se constante, podemos traçar o gráfico de com base na equação 17, conforme a imagem 16: V E V = Q/A : Ei = yi + Q2 2gA2 A = by, q = Q/b. E = y + q2 2gy2 q q = q0 E = E(y), Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Imagem 16: Curva de altura versus energia específica. Analisando-se o gráfico da imagem 16, observamos aspectos interessantes sobre o escoamento: Se escoamento subcrítico (fluvial), sendo a altura crítica, uma redução de (ex.: aumento brusco da cota de fundo) causará uma elevação da altura. Se escoamento supercrítico (torrencial), ocorreria o contrário da afirmação anterior. Para escoamento crítico, pequenas oscilações de causam grandes variações da altura, criando uma região de instabilidade. Para uma mesma energia específica e vazão unitária o escoamento pode ocorrer em duas alturas distintas, e chamadas de alturas alternadas. Para que uma determinada vazão unitária seja possível, é necessária uma energia específica mínima (crítica). O valor mínimo de E ocorre quando y > yc(V < Vc) : yc E y < yc(V > Vc) : y ≅yc : E Eo q0, y1 y2, q0 Ec = 0. dE dy Para essa situação, conforme a equação (17), teremos: Equação 18 E: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Lembre-se de que essas equações somente são válidas para canais retangulares. No entanto, as observações ressaltadas sobre o comportamento do escoamento servem para a maioria das seções utilizadas em projetos de canais. Também podemos inverter a equação 17, explicitando em função de para entãoobter o gráfico da imagem 17. Por esse gráfico, também constatamos que: Para uma determinada energia específica disponível a vazão máxima que pode ocorrer será: Equação 19 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Se escoamento supercrítico (torrencial), um aumento de q causará aumento de Se escoamento subcrítico (fluvial), teremos o contrário da afirmação anterior. yc = ( ) q2 g 1 3 Ec = yc 3 2 q y, E0, qmax = √ √E0 8g 27 y < yc : y. y > yc : Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Imagem 17: Curva de altura versus vazão unitária. Escoamento subcrítico é influenciado pela condição de jusante: nesse regime, uma redução de vazão é acompanhada de aumento do nível d’água, o que ocorreria se uma comporta na jusante fosse parcialmente fechada, como podemos ver na imagem 18. Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Imagem 18: Fechamento de comporta a jusante. Escoamento supercrítico é influenciado pela condição de montante: nesse regime, uma redução de vazão é acompanhada de redução do nível d’água, o que ocorreria se uma comporta na montante fosse parcialmente fechada (Figura 19). Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Imagem 19: Fechamento de comporta a montante. ESTADO CRÍTICO Sabemos do cálculo que o máximo ou mínimo de uma função pode ser obtido igualando-se sua derivada à zero. Calculando-se o estado crítico ( mínimo ou máximo) para qualquer tipo de seção, com base na equação 16: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal O incremento infinitesimal da área pode ser calculado com base na largura de topo, por Então: Equação 20 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Substituindo a altura hidráulica (ou média) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal O termo da esquerda dessa equação é substituído por: Equação 21 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Onde Fr é o número de Froude. Se: escoamento crítico. E Q = 0 → 1 − 2 = 0 → = 1 dE dy Q2 2gA3 dA dy Q2 gA3 dA dy dA = B dy. B = 1 Q2 gA3 → B = 1 → = 1 (Q/A ) 2 gA V 2 g A B Hm = A/B : → = 1 → = 1V 2 gHm V √gHm Fr = V √gHm Fr = 1 : escoamento supercrítico ou torrencial. escoamento subcrítico ou fluvial. Em caso de canal retangular, Substituindo-se essa relação para e na fórmula de Manning, obtemos a declividade crítica, ou seja, para qual ocorre escoamento crítico em regime permanente uniforme: Equação 22 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Onde a altura crítica é obtida pela equação 18. Vamos ver um exemplo. EXEMPLO 7 Um canal retangular tem 2m de largura e é revestido em concreto com boas condições. Qual deve ser a declividade de fundo para que o escoamento permanente e uniforme de 3,5m³/s ocorra em regime crítico? RESOLUÇÃO Com base na vazão unitária conforme a equação (18), a altura crítica será: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A declividade crítica é obtida pela equação (22), sendo (Quadro 2): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal SAIBA MAIS Fr > 1 : Fr < 1 : Hm = = = y. A B by b Fr = 1 Ic = n2gyc( ) 4/3 2yc+b ycb yc q = = = 1, 75m³/s.m, Q b 3, 5 2 yc = ( ) = [ ] = 0,68m q2 g 1 3 (1,75)2 9,8 1 3 n = 0, 013 Ic = n2gyc( ) 2yc+bycb 4 3 = (0,013)2 ⋅ 9,8 ⋅ 0,68( ) = 0,0038 = 3,8m/km2⋅0,68+2 0,68⋅2 4 3 O cálculo da altura e da velocidade crítica foi demonstrado aqui apenas para canais retangulares. Para outras seções, há gráficos disponibilizados na literatura indicada. Outra opção é substituir e da equação (20) pelos correspondentes ao da seção considerada, como as equações em (3) para canal trapezoidal ou em (4) para circular. Depois disso, podemos implementar esses cálculos em uma planilha eletrônica (ex.: Excel) e calcular, com ferramentas de otimização (ex.: “Atingir meta”), o valor de y para o qual a equação (20) é atendida. Um exemplo de situação em que pode ocorrer escoamento crítico é em vertedores semelhantes à configuração mostrada na imagem 20. No reservatório, a velocidade é nula, e a energia será igual ao N.A. Portanto, a energia específica de montante será igual à distância entre o fundo e o N.A. do reservatório, conforme a definição vista em Energia específica. Considerando um pequeno trecho até a descida d’água, a perda de carga será desprezível. O escoamento tenderá a ocorrer na máxima vazão possível Conforme visto pelo gráfico da imagem 17, isso corresponde ao ponto de escoamento crítico. Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Imagem 20: Escoamento crítico em vertedores. Outra situação comum é quanto ocorre a transição do escoamento subcrítico para crítico, passando pelo crítico em um ponto intermediário, o que é exemplificado em canais de forte declividade alimentados por reservatórios. TRANSIÇÕES – ELEVAÇÃO DE FUNDO E CONTRAÇÃO LATERAL ELEVAÇÃO DE FUNDO Com base na definição de energia específica que vimos em Energia específica, assumindo que não há perda de carga significativa ( constante), uma elevação de fundo reduzirá a distância entre o N.A. e o fundo, reduzindo também (imagem 15). A B E0 (qmax). (I0 > Ic) H E Já avaliamos, em Curvas de energia para canais retangulares, a consequência da variação de para uma vazão unitária constante (vazão e largura constantes), tanto para regime subcrítico quanto para supercrítico. Veremos, agora, a consequência disso no aspecto do escoamento, conforme a imagem 21: Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Imagem 21: Elevação de fundo. No caso de escoamento fluvial, a elevação de fundo causará redução do nível d’água. Se o for suficiente, o regime crítico será atingido e, após a elevação, o escoamento caminhará para o regime supercrítico No entanto, essa será uma situação momentânea, forçada pela queda após a elevação. Mais adiante, o escoamento voltará para situação de equilíbrio, que ocorria antes da elevação (subcrítico, ). Se a elevação de fundo forçar uma redução de a ponto de ficar abaixo do (energia mínima), sabemos que isso não será possível, portanto, haverá uma alteração do escoamento para montante da seção analisada, causando uma nova condição com maior energia específica. Em caso de escoamento torrencial, o degrau causará um aumento do N.A., que voltará ao seu nível anterior após a elevação de fundo. CONTRAÇÃO LATERAL Em caso de contração lateral da seção do canal, aumentará e, assumindo que não há perda de carga, o se manterá constante. A consequência disso para o escoamento fluvial e torrencial é constatada pelo gráfico da imagem 17 e observada na imagem 22. E ΔZ (y3). y1 E Ec q = Q/b E Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Imagem 22: Contração lateral (redução de largura). Assim como na elevação de fundo, se a contração lateral (redução de largura) tende a levar a uma condição em que a vazão unitária é superior à máxima, isso não será possível e haverá uma alteração das condições do escoamento, o que se propagará para montante. Atingindo, assim, um nível de energia específica em que seja possível alcançar o valor de imposto pela redução de largura. RESSALTO HIDRÁULICO Ressalto hidráulico é um fenômeno que ocorre quando há a transição do regime supercrítico ou torrencial para o subcrítico ou fluvial Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Imagem 23: Ressalto hidráulico – esquemático. Dependendo do número de Froude a montante essa transição ocorre de maneira brusca, acompanhada de bastante turbulência (imagem 24). q (Fr > 1) (Fr < 1). (Fr1),Imagem: Hidráulica Básica. Porto, 2004. Imagem 24: Tipos de ressalto em função de . Ressaltos são, muitas vezes, provocados intencionalmente, para dissipação de energia ou mistura de produtos em estações de tratamento de água. As alturas de água imediatamente antes e após o ressalto são chamadas de alturas conjugadas (não confundir com alturas alternadas!). Para canais retangulares, elas são calculadas por: ou Equação 23 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Dependendo se a informação conhecida é o nível d’água a montante ou jusante do ressalto. O comprimento do ressalto pode ser estimado a partir da imagem 25, com base no número de Froude da seção de montante Imagem: Hidráulica Básica. Porto, 2004, pág. 345 Imagem 25: Comprimento do ressalto hidráulico Fr1 = [√1 + 8Fr21 − 1] y2 y1 1 2 = [√1 + 8Fr22 − 1] y1 y2 1 2 (y1) (y2) (Fr1). Como, muitas vezes, os ressaltos são projetados para dissipar energia, a perda obtida é calculada por: Equação 24 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal E a sua eficiência por: Equação 25 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Vamos ver um exemplo. EXEMPLO 8 Uma comporta instalada no fundo da barragem ilustrada na figura a seguir descarrega uma vazão unitária de 2,0m³/m.s em um canal retangular com escoamento supercrítico. Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Um ressalto é formado logo após, e a altura a jusante foi medida em Calcule a altura a montante do ressalto. RESOLUÇÃO A velocidade a jusante do ressalto, lembrando que a vazão unitária é é calculada por: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal O número de Froude a jusante do ressalto, para canal retangular, é calculado por: ΔE = ( y2−y1 ) 3 4y2y1 η = ΔE E1 y2 = 1, 50. q = , Q b V2 = = = Q A2 Q by2 q y2 Fr2 = = = = 0,348 V2 √gy2 q √gy32 2,0 √9,8⋅ ( 1,5 ) 3 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Pela equação 23: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Portanto, as alturas conjugadas desse ressalto são 0,30m e 1,50m. MÃO NA MASSA 1. (FUNAI − ENGENHEIRO CIVIL − 2016) A PARTIR DO GRÁFICO A SEGUIR, QUE APRESENTA A CURVA DE ENERGIA ESPECÍFICA DE UM CANAL HIDRÁULICO, DE 20M DE LARGURA, É CORRETO AFIRMAR QUE A PROFUNDIDADE CRÍTICA, A ENERGIA CRÍTICA, O RAIO HIDRÁULICO PARA A PROFUNDIDADE DE 1,2M E O TIPO DE REGIME (TAMBÉM PARA A PROFUNDIDADE DE 1,2M) SÃO, RESPECTIVAMENTE: A) 0,8m, 0,9m, 1,071m, subcrítico. B) 0,9m, 1,0m, 1,078m, subcrítico. C) 0,9m, 0,8m, 1,075m, supercrítico. D) 0,8m, 0,9m, 1,074m, subcrítico. E) 0,8m, 0,9m, 1,072m, supercrítico. 2. QUAL DEVE SER A ALTURA PARA CLASSIFICAR COMO SUBCRÍTICO O ESCOAMENTO DE UM CANAL RETANGULAR COM 5,00M DE LARGURA POR ONDE ESCOAM 20,0M³/S? A) Menor que 0,8m. B) Maior que 0,8m. C) Maior que 1,2m. D) Menor que 1,2m. E) Maior que 4,0m. y1 = [√1 + 8Fr22 − 1]= [√1 + 8 ⋅ (0,348) 2 − 1]= 0,30my2 2 1,5 2 (RH) 3. UM LONGO CANAL RETANGULAR DE 3,00M DE LARGURA TRANSPORTA UMA DESCARGA DE 15M³/S. A DECLIVIDADE DO CANAL É 4M/KM, E O COEFICIENTE DE MANNING É 0,025. DETERMINE A CLASSIFICAÇÃO DO ESCOAMENTO QUANDO É ALCANÇADO O REGIME UNIFORME: A) Supercrítico B) Crítico C) Torrencial D) Laminar E) Variado 4. EM UM CANAL RETANGULAR COM 1,5M DE LARGURA ESCOAM 2,0M³/S. SE OCORRER UM RESSALTO COM ALTURA DE MONTANTE DE 0,30M, QUAL SERÁ A SUA CLASSIFICAÇÃO? A) Ondulado B) Fraco C) Oscilante D) Estacionário E) Linear 5. UMA VAZÃO DE 15M³/S ESCOA NUM CANAL RETANGULAR COM 3,0M DE LARGURA. SE OCORRE RESSALTO HIDRÁULICO COM ALTURA DE MONTANTE DE 0,60M, CALCULE A ALTURA DE JUSANTE: A) 2,0 B) 3,0 C) 1,6 D) 2,6 E) 1,8 6. QUAL SERÁ A EFICIÊNCIA DO RESSALTO DA QUESTÃO ANTERIOR? A) 12% B) 25% C) 36% D) 43% E) 86% GABARITO 1. (FUNAI − Engenheiro Civil − 2016) A partir do gráfico a seguir, que apresenta a curva de energia específica de um canal hidráulico, de 20m de largura, é correto afirmar que a profundidade crítica, a energia crítica, o raio hidráulico para a profundidade de 1,2m e o tipo de regime (também para a profundidade de 1,2m) são, respectivamente: (RH) A alternativa "A " está correta. Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A profundidade crítica (menor energia), conforme o gráfico, é de 0,8m, e a energia crítica é 0,9m. 2. Qual deve ser a altura para classificar como subcrítico o escoamento de um canal retangular com 5,00m de largura por onde escoam 20,0m³/s? A alternativa "C " está correta. Para canais retangulares, é válida a equação (18): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Para que o escoamento seja subcrítico, a altura deve ser maior que a crítica 3. Um longo canal retangular de 3,00m de largura transporta uma descarga de 15m³/s. A declividade do canal é 4m/km, e o coeficiente de Manning é 0,025. Determine a classificação do escoamento quando é alcançado o regime uniforme: A alternativa "A " está correta. Dados fornecidos: 3,00m. 15m³/s. 4/1000 = 0,004m/m. 0,025. Para canais retangulares, a profundidade crítica é obtida por (18): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Fr = = 0,26 < 1 → subcrítico1 √9,8 x 1,2² yc = ( ) = [ ] = [ ] = 1,2m q2 g 1 3 (Q/b) 2 g 1 3 (20/5) 2 9,8 1 3 (y > yc). b = Q = I0 = n = yc = ( ) = [ ] = [ ] = 1,37m q2 g 1 3 (Q/b)2 g 1 3 (15/3)2 9,8 1 3 A declividade crítica pode ser calculada pela equação (22): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Como (declividade fraca), em regime permanente, o escoamento será subcrítico (fluvial). 4. Em um canal retangular com 1,5m de largura escoam 2,0m³/s. Se ocorrer um ressalto com altura de montante de 0,30m, qual será a sua classificação? A alternativa "C " está correta. A classificação de ressaltos é feita com base no número de Froude de montante, que, nesse caso, será: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Portanto, de acordo com a Figura 24, esse é um ressalto oscilante. 5. Uma vazão de 15m³/s escoa num canal retangular com 3,0m de largura. Se ocorre ressalto hidráulico com altura de montante de 0,60m, calcule a altura de jusante: A alternativa "D " está correta. A vazão unitária é: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal O número de Froude de montante será: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Conforme a equação (23), a altura de jusante será: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal 6. Qual será a eficiência do ressalto da questão anterior? A alternativa "C " está correta. EFICIÊNCIA DE RESSALTO HIDRÁULICO GABARITO TEORIA NA PRÁTICA Ic = n 2gyc( ) = (0,025)2 ⋅ 9,8 ⋅ 1,37( ) = 0,013 = 13m/km 2yc+b ycb 4 3 2⋅1,37+3 1,37⋅3 4 3 I0 < Ic Fr1 = = = = = 2,6 V1 √gy1 Q/by1 √gy1 Q b√gy31 2 1,5√9,8⋅ ( 0,3 ) 3 q = = 5m3/s ⋅ m15 3 Fr1 = = = = 3,4 V1 √gy1 q √gy31 5 √9,8⋅ ( 0,60 ) 3 y2 = y1 [√1 + 8Fr21 − 1]= [√1 + 8(3,4) 2 − 1]= 2,6m1 2 0,6 2 (EPE − Analista de Pesquisa Energética − Projetos da Geração de Energia − 2010) Considere uma bacia de dissipação por ressalto hidráulico construída em um canal retangular largo, por onde escoa a vazão por metro de largura Sabe-se que a altura da lâmina d’água do escoamento a montante do ressalto hidráulico é e o número de Froude é O escoamento a jusante do ressalto hidráulico tem altura de lâmina d’água e número de Froude Qual é a potência dissipada por metro de largura do canal, em kW, no ressalto hidráulico? Dados: ; e Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Onde: é a energia específica do escoamento (m). é altura da lâmina d’água ou tirante d’água (m). é a velocidadedo escoamento (m/s) e é a vazão (m3/s). é a largura do canal (m) e é a vazão por metro de largura do canal [m3/(s.m)]. é a área molhada da seção transversal (m). é a aceleração da gravidade (considerar igual a 10m/s²). é a potência dissipada no ressalto hidráulico (kW). q = 5, 0m³/s.m. y1 = 0, 50m Fr1 = 4, 5. y2 = 2, 0m Fr2 = 0, 60. E = y + V 2 2g Q = q ⋅ b = V .A Pdis10 ⋅ Q ⋅ hperda E y V Q b q A g Pdis hperda é a perda de carga no ressalto hidráulico (m). RESOLUÇÃO DISSIPAÇÃO DE ENERGIA EM RESSALTO VERIFICANDO O APRENDIZADO 1. (NETTO, 2015) EM UM CANAL DE SEÇÃO RETANGULAR, COM 2,5M DE LARGURA E COM 9,25M³/S DE VAZÃO, FORMA-SE UM RESSALTO HIDRÁULICO. CONHECENDO-SE A PROFUNDIDADE DE MONTANTE COMO IGUAL A 0,90M, DETERMINE A DIFERENÇA DO NÍVEL D’ÁGUA ANTES E APÓS O RESSALTO: A) 1,37m B) 0,46m C) 0,90m D) 2,27m E) 0,25m 2. (ENADE – ENGENHARIA AMBIENTAL − 2019) NA FIGURA A SEGUIR, É APRESENTADA A CURVA ADIMENSIONAL DA ENERGIA ESPECÍFICA (E) EM RELAÇÃO À ALTURA DA ÁGUA (Y) PARA CANAIS RETANGULARES, EM QUE YC É A PROFUNDIDADE CRÍTICA. CONSIDERE AGORA A EQUAÇÃO DE ENERGIA ESPECÍFICA PARA UM CANAL RETANGULAR DE LARGURA B: E = y + q2 2gy2 ATENÇÃO! PARA VISUALIZAÇÃO COMPLETA DA EQUAÇÃO UTILIZE A ROLAGEM HORIZONTAL EM QUE A VAZÃO ESPECÍFICA ONDE É A VAZÃO E É A ACELERAÇÃO DA GRAVIDADE. CONSIDERE UM ESCOAMENTO DE ÁGUA UNIFORME, EM CANAL RETANGULAR COM ENERGIA ESPECÍFICA VAZÃO ESPECÍFICA E NÚMERO DE FROUDE PARA EFEITOS DE CÁLCULO, ASSUMA QUE SABENDO-SE, AINDA, QUE A PROFUNDIDADE CRÍTICA (OU ESCOAMENTO CRÍTICO) OCORRE QUANDO A ENERGIA ESPECÍFICA É MÍNIMA PARA DETERMINADA VAZÃO, É CORRETO AFIRMAR QUE O ESCOAMENTO É: A) Subcrítico (ou fluvial), e a altura d’água é aproximadamente B) Supercrítico (ou torrencial), e a altura d’água é aproximadamente C) Subcrítico (ou fluvial), e a altura d’água é aproximadamente D) Subcrítico (ou fluvial), e a altura d’água é aproximadamente E) Supercrítico (ou torrencial), e a altura d’água é aproximadamente GABARITO 1. (NETTO, 2015) Em um canal de seção retangular, com 2,5m de largura e com 9,25m³/s de vazão, forma-se um ressalto hidráulico. Conhecendo-se a profundidade de montante como igual a 0,90m, determine a diferença do nível d’água antes e após o ressalto: A alternativa "B " está correta. A vazão unitária é: q = Q/b, Q g E = 1, 4m, q = 2m2/s, yc ≅0, 7m Fr < 1, 0. g = 10m/s2. y = 0, 4m. y = 0, 4m. y = 0, 9m. y = 1, 3m. y = 1, 3m. Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal O número de Froude de montante será: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Conforme a equação (23), a altura de jusante será: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal O desnível no ressalto será, então: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal 2. (Enade – Engenharia Ambiental − 2019) Na figura a seguir, é apresentada a curva adimensional da energia específica (E) em relação à altura da água (y) para canais retangulares, em que yc é a profundidade crítica. Considere agora a equação de energia específica para um canal retangular de largura b: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Em que a vazão específica onde é a vazão e é a aceleração da gravidade. Considere um escoamento de água uniforme, em canal retangular com energia específica vazão específica e número de Froude q = = = 3,7m3/s ⋅ m Q b 9,25 2,5 Fr1 = = = = 1,38 V1 √gy1 q √gy31 3,7 √9,8⋅ ( 0,90 ) 3 y2 = y1 [√1 + 8Fr21 − 1]= [√1 + 8(1,38) 2 − 1]= 1,36m1 2 0,9 2 Δy = y2 − y1 = 1 ,36 −0 ,9= 0, 46m E = y + q2 2gy2 q = Q/b, Q g E = 1, 4m, q = 2m2/s, yc ≅0, 7m Fr < 1, 0. Para efeitos de cálculo, assuma que Sabendo-se, ainda, que a profundidade crítica (ou escoamento crítico) ocorre quando a energia específica é mínima para determinada vazão, é correto afirmar que o escoamento é: A alternativa "D " está correta. Dados do problema: escoamento subcrítico. O eixo das abscissas do gráfico fornecido requer: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Buscando-se esse valor no gráfico, encontramos duas possibilidades para Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal E: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Como o escoamento é subcrítico (fluvial), a altura deverá ser menor que a crítica, ou seja, Portanto, a opção correta: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal MÓDULO 3 Identificar o perfil do nível d’água em escoamentos variados CLASSIFICAÇÕES DE ESCOAMENTO NÃO UNIFORME g = 10m/s2. E = 1, 4m. q = 2m2/s(m3/sm). yc ≅0, 7m. Fr < 1 → = = 2E yc 1,4 0,7 y : ≅0,60 y1 yc ≅1,8 y2 yc y/yc < 1. ≅1,8 → y2 ≅1,8 ⋅ 0,7 = 1, 3m y2 yc ESCOAMENTO VARIADO As equações que vimos no Módulo 1 são fundamentadas na condição de equilíbrio, quando calculamos a altura normal de escoamento ou seja, para a qual as forças de resistência se igualam ao componente da gravidade na direção do escoamento. Naquela situação, o nível d’água é paralelo ao fundo, e o escoamento é classificado como uniforme. Quando o escoamento não é uniforme (variado), a solução das equações da hidrodinâmica se torna complexa, o que requer métodos numéricos ou iterativos. No entanto, com base em características da situação em que o trecho analisado se encontra, é possível prever o formato do perfil d’água de maneira relativamente simples. O primeiro passo é determinar qual a altura crítica e a declividade que provoca essa altura em condição uniforme (de equilíbrio), chamada de declividade crítica Esses parâmetros são obtidos pela solução da equação de Manning para O caso de canal retangular foi desenvolvido no Módulo 2, e é o único que apresenta solução analítica direta, fornecendo então: e yn, yc Ic. Fr = 1. yc = ( ) q2 g 1 3 Ic = n2gyc( ) 4/32yc+b ycb Equação 26 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Se o canal não for retangular, há gráficos disponíveis na literatura indicada para o cálculo desses parâmetros. Comparando-se a altura d’água normal e a declividade de fundo com seus respectivos valores críticos ( e ), é possível classificar a transição de escoamento em diversas situações. Quanto à declividade, ela será classificada entre: Imagem: Danielle Ribeiro E : DECLIVIDADE FORTE − S (STEEP SLOPE). Imagem: Danielle Ribeiro E yn I0 yc Ic I0 > Ic yn < yc I0 = Ic yn = yc : DECLIVIDADE CRÍTICA − C (CRITICAL SLOPE). Imagem: Danielle Ribeiro E : DECLIVIDADE FRACA − M (MILD SLOPE). Imagem: Danielle Ribeiro HORIZONTAL – H (HORIZONTAL). Imagem: Danielle Ribeiro : ACLIVE – A (ADVERSE SLOPE). 0 < I0 < Ic yn > yc I0 = 0 : I0 < 0 Embora um canal em aclive (declividade adversa) possa parecer incoerente, pois em canais o escoamento se dá pela gravidade, essa condição pode ocorrer por trechos curtos, onde a quantidade de movimento é capaz de manter o escoamento. Uma vez definido o tipo de declividade, devemos classificar o trecho analisado em relação ao nível d’água, dividindo-o em três regiões, ordenadas de cima para baixo, conforme o quadro 3: Quadro 3: Classificação quanto a altura d’água para cada tipo de declividade. Elaborada por: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Com base na equação de Manning, para declividade nula ou negativa, a altura normal tenderá ao infinito, pois não é possível haver um escoamento uniforme (em equilíbrio) nessas situações. PERFIS DE ESCOAMENTO GRADUALMENTE VARIADO Com base nas classificações listadas, é possível prever a forma do perfil d’água, conforme a imagem 26. Hidráulica para Engenharia Civil e Ambiental. Chadwick, 2017. Imagem 26: Perfis de escoamento gradualmente variado. Conforme vimos no Módulo 2, os escoamentos subcríticossão influenciados pela condição de jusante, enquanto os supercríticos são influenciados pela condição de montante. Portanto, se a altura d’água está diferente da altura normal em um escoamento subcrítico, isso será causado por algo que está na jusante (ex.: barragem) e, em caso de supercrítico, por algo que está no montante (ex.: comporta). Vamos ver um exemplo. yn y yn, EXEMPLO 9 A imagem a seguir mostra um canal aberto com um trecho com declividade fraca (até C) e outro com declividade forte (após C). A altura normal e a altura crítica também são representadas. Há uma comporta parcialmente fechada em B. Faça um esboço no perfil d’água nos trechos AB, BC e CD. Considere que o trecho BC é suficiente logo para que o regime volte a ser uniforme. Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento RESOLUÇÃO Até A, o escoamento era uniforme e subcrítico Sabemos que esse regime é influenciado pela condição de jusante, o que ocorrerá devido à comporta, elevando Em se tratando de uma declividade fraca com teremos a curva M1 (imagem 26). A comporta causará uma altura menor que forçando um escoamento supercrítico. Como o trecho é suficiente longo para que o escoamento volte a ser subcrítico (uniforme), haverá um ressalto hidráulico (transição de supercrítico para subcrítico, conforme vimos no Módulo 2, Transições – elevação de fundo e contração lateral) em algum ponto. Ressalto hidráulico é um escoamento bruscamente variado, porém, até chegar nele, haverá uma variação desde a altura imposta pela comporta até a altura de montante do ressalto. Nessa transição, temos um trecho de fraca declividade, com classificado, então, como M3 (imagem 26). Após o ressalto, a altura voltará a ser Se aproximando mais de teremos uma redução dessa altura causada pela transição da declividade. Ou seja, ainda com declividade fraca, o que é classificado como curva M2 (imagem 26). Por fim, teremos em CD uma declividade forte e um escoamento supercrítico, que é influenciado pela condição de montante, vindo então de Essa condição corresponde à classificação de curva S2 (imagem 26). O resultado do perfil com base nas classificações das curvas obtidas (M1, M3, M2 e S2) de acordo com a imagem 26 é exibido na figura a seguir. (yn > yc). y. y > yn, yc, BC y < yc yn. C, yc < y < yn y > yc. Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento CÁLCULO DO PERFIL D’ÁGUA Conforme vimos no Módulo 2, a energia específica é definida como a distância entre o fundo do canal e o nível de energia portanto: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Esse cálculo pode ser resolvido, aproximadamente, pelo método das diferenças finitas (MEF) entre os pontos 1 e 2 consecutivos: Equação 27 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Como a declividade da linha de energia pode variar entre os pontos, adotamos o valor médio calculado pela equação de Manning com base na altura média Para canal retangular, a partir das equações abordadas no Módulo 1, temos: y0 yf , E = yf − y0 → = −If − −I0 dE dx dyf dx dy0 dx → dx = dE I0−If Δx = E2−E1 I0− − I f If Ī f ȳ . Equação 28 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A estratégia de cálculo consiste em partir da altura de jusante, obtendo a energia do ponto anterior, (a seguir), e calculando o incremento pela equação 27. Sendo assim, a cada passo, as coordenadas e de um ponto são obtidas. EXEMPLO 10 Um canal retangular com 2,00m de largura tem declividade de fundo de 2m/km e transporta um escoamento de 3,0m³/s. Calcule o perfil d’água do remanso causado por uma comporta de fundo que eleva a altura uniforme de 0,76m para 0,90m. RESOLUÇÃO Iniciaremos nosso cálculo pela altura junto à comporta. Para cada ponto a montante, calcularemos a altura média, a energia específica (17) e sua variação, a declividade energética (28) e o incremento da posição através da equação 27. A declividade e a altura crítica são obtidas por (26): e Como , trata-se de uma declividade fraca. Além disso, o que classifica essa curva como M1. O cálculo desse exemplo é detalhado no quadro 4, partindo-se de e adotando-se A cada passo, a energia específica é calculada conforme a equação 17 e o incremento If = n 2q2( ) 4/3 b+2y y5/2 b y Δy Δx x y n = 0, 013, x, yc = 0, 61m Ic = 0, 0037m. I0 < Ic y > yn > yc, y0 = 0, 90m Δy = −0, 02m. Δx pela equação 27. (m) (m) (m) (m) (m/m) (m) (m) 0.90 1.042 0 0.88 0.89 1.028 -0.0140 0.00131 -20.29 -20.29 0.86 0.87 1.015 -0.0130 0.001394 -21.45 -41.74 0.84 0.85 1.003 -0.0120 0.001484 -23.26 -65.00 0.82 0.83 0.991 -0.0120 0.001584 -28.85 -93.85 0.80 0.81 0.979 -0.0120 0.001693 -39.09 -132.94 0.78 0.79 0.969 -0.0100 0.001813 -53.48 -186.42 0.76 0.77 0.959 -0.0100 0.001946 -185.19 -371.61 Atenção! Para visualização completa da tabela utilize a rolagem horizontal Quadro 4: Cálculo do perfil d’água pelo step method. Elaborado por: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Na imagem a seguir, vemos o gráfico resultante. Percebe-se que se assemelha à curva M1. Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento Observe que o remanso, nesse caso, se estendeu até 371,6m a montante da comporta. Por se tratar de uma solução numérica (MDF), quanto menor o incremento adotado, mais preciso será o resultado. y ymed E ΔE Ī f Δx x Δy ONDAS DE TRANSLAÇÃO Mudanças bruscas no escoamento de montante, para regime supercrítico, ou no de jusante, para subcrítico, tendem a provocar ondas que se propagarão ao longo do canal. Essas ondas podem ser positivas, em caso de elevação do N.A., ou negativas, caso contrário, como podemos ver no quadro 5, a seguir. Montante Jusante Positiva Negativa Atenção! Para visualização completa da tabela utilize a rolagem horizontal Quadro 5: Classificação das ondas de translação. Elaborado por: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento A celeridade é definida como a velocidade de propagação da onda ao longo de um canal em relação à velocidade de escoamento. Sua dedução é feita com base na equação da continuidade e da quantidade de movimento. Para canais retangulares, será: Equação 29 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Onde é a altura do escoamento não perturbado, ou seja, antes da onda, e é a altura resultante após a passagem da onda. c c = √ (y1 + y2) gy2 2y1 y1 y2 É importante ressaltar que a celeridade é a velocidade de propagação da onda em relação à do escoamento portanto, para obter a velocidade absoluta da onda (em relação ao solo), devemos utilizar o conceito de velocidade relativa. Sendo assim: Equação 30 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Sendo somado em caso de onda de montante e subtraído em caso de onda de jusante (quadro 5). Vamos ver um exemplo. EXEMPLO 11 O colapso de uma barragem fez com que a altura d’água em um rio com escoamento a 1,5m/s elevasse subitamente de 1,20m para 2,00m, provocando uma onda de cheia. Calcule quanto tempo levará para ela alcançar um vilarejo às margens desse rio cerca de 1,0km a jusante da barragem. RESOLUÇÃO Dados de entrada: altura d’água não perturbada. velocidade não pertubada. altura com a onda. distância a ser percorrida. A celeridade é (29): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Como se trata de uma onda de montante, a velocidade da onda de cheia será (30): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal O tempo para alcançar o vilarejo será: V1, Vω Vω = V1 ± c c y1 = 1, 20m : V1 = 1, 50m : y2 = 2, 00m : L = 1, 0km = 1000m : c = √ (y1 + y2) = √ (1,2 + 2,0) = 5,11m/s gy2 2y1 9,8⋅2,0 2⋅1,2 Vω = V1 + c = 1,5 + 5,11 = 6,61m/s Atenção! Para visualização completa da equaçãoutilize a rolagem horizontal MÃO NA MASSA 1. EM UM CANAL RETANGULAR COM LARGURA DE 4,00M, DECLIVIDADE DE 3M/KM E RUGOSIDADE ESCOA 6,0M³/S. APÓS UM TRECHO ONDE FOI ALCANÇADO O REGIME PERMANENTE, UMA BARRAGEM COM VERTEDOR CAUSA ELEVAÇÃO DO N.A. CLASSIFIQUE A CURVA QUE OCORRERÁ A MONTANTE DESSA BARRAGEM. A) S1 B) S2 C) S3 D) M1 E) M2 2. EM UM CANAL RETANGULAR COM LARGURA DE 1,50M, DECLIVIDADE DE 8M/KM E RUGOSIDADE ESCOA 1,4M³/S. APÓS UM TRECHO ONDE FOI ALCANÇADO O REGIME PERMANENTE, UMA COMPORTA DE FUNDO É PARCIALMENTE FECHADA. CLASSIFIQUE A CURVA QUE OCORRERÁ A JUSANTE DESSA COMPORTA. A) S1 B) S2 C) S3 D) M1 E) M2 3. EM UM CANAL COM DECLIVIDADE FRACA, APÓS UM TRECHO BASTANTE LONGO, HÁ UMA ELEVAÇÃO BRUSCA DE FUNDO EM UM PEQUENO COMPRIMENTO (DEGRAU). QUAL OPÇÃO A SEGUIR REPRESENTA ADEQUADAMENTE O PERFIL D’ÁGUA? A) Δt = = = 151 s = 2 min e 31 sΔS Vω 1000 6,61 n = 0, 020, n = 0, 013, B) C) D) E) 4. A RESPEITO DE UM CANAL COM FRACA DECLIVIDADE, COMPOSTO POR CURVAS DO TIPO M, CONFORME APRESENTADO NA FIGURA A SEGUIR, ASSINALE A ALTERNATIVA CORRETA. I – A CURVA M1 É UMA CURVA TÍPICA DE REMANSO QUE OCORRE A MONTANTE DE UMA BARRAGEM. II – A CURVA M2 OCORRE A MONTANTE DE UMA QUEDA BRUSCA. III – A CURVA M3 OCORRE A MONTANTE DE COMPORTAS COM ABERTURA INFERIOR À ALTURA CRÍTICA PARA A VAZÃO DESCARREGADA. A) Todas as afirmativas estão corretas. B) Todas as afirmativas estão incorretas. C) Somente as afirmativas I e II estão corretas. D) Somente as afirmativas II e III estão corretas. E) Somente as afirmativas I e III estão corretas. 5. O FECHAMENTO RÁPIDO DE UMA COMPORTA CAUSA ELEVAÇÃO DA ALTURA D’ÁGUA NA SUA MONTANTE DE 1,20M PARA 2,00M. SE A VELOCIDADE DO ESCOAMENTO ANTES DO FECHAMENTO É DE 1,5M/S, CALCULE A VELOCIDADE COM QUE ESSA ONDA DE CHEIA SE PROPAGARÁ PARA MONTANTE. A) 5,1m/s B) 6,6m/s C) 1,5m/s D) 3,0m/s E) 3,6m/s 6. (INEA – ENGENHEIRO HIDRÁULICO − 2008) ESTÁ SENDO ELABORADO UM PROGRAMA PARA CÁLCULO DE REMANSO EM UM CANAL RETILÍNEO. PARA VERIFICAR SE O CÁLCULO ESTÁ CORRETO, RESOLVEU-SE TESTAR O PROGRAMA CALCULANDO EM UM ÚNICO PASSO O REMANSO PARA A SITUAÇÃO APRESENTADA NA TABELA A SEGUIR, QUE TAMBÉM APRESENTA PARTE DOS RESULTADOS ENCONTRADOS. TABELA: CÁLCULO DE REMANDO ELABORADA POR: GABRIEL DE CARVALHO NASCIMENTO E ELSON ANTONIO DO NASCIMENTO. CONSIDERE: • DECLIVIDADE DO CANAL • CANAL RETANGULAR COM LARGURA DO CANAL • COEFICIENTE DE MANNING (CONCRETO). • ACELERAÇÃO DA GRAVIDADE (I0) = 0, 0005m/m. (b) = 2m. (n) = 0, 015 • QUATRO CASAS DEPOIS DA VÍRGULA NA DECLIVIDADE DA LINHA DE ENERGIA. QUAL SERÁ O VALOR ESPERADO PARA A DISTÂNCIA ENTRE A SEÇÃO E A SEÇÃO ? A) 800m B) 1250m C) 1600m D) 2000m E) 2500m GABARITO 1. Em um canal retangular com largura de 4,00m, declividade de 3m/km e rugosidade escoa 6,0m³/s. Após um trecho onde foi alcançado o regime permanente, uma barragem com vertedor causa elevação do N.A. Classifique a curva que ocorrerá a montante dessa barragem. A alternativa "D " está correta. A altura e declividade críticas serão (26): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal e Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Como a declividade de fundo é menor que a crítica, o canal é classificado como de declividade fraca (M). O escoamento estava em regime permanente (altura ), antes de alcançar a barragem, que causou uma elevação. Então caracterizando a região 1 (Quadro 3). Portanto, a classificação é M1. 2. Em um canal retangular com largura de 1,50m, declividade de 8m/km e rugosidade (g) = 9, 81m/s². (X) 0 n n = 0, 020, yc = ( ) = [ ] = [ ] = 0,61m q2 g 1 3 (Q/b) 2 g 1 3 ( ) 20,85 4 9,8 1 3 Ic = n 2gyc( ) 4/3 = (0,02)2 ⋅ 9,8 ⋅ 0,61( ) = 0,00659 = 6,59m/km2yc+b ycb 2⋅0,61+4 0,61⋅4 4 3 m m I0 yn y > yn, n = 0, 013, escoa 1,4m³/s. Após um trecho onde foi alcançado o regime permanente, uma comporta de fundo é parcialmente fechada. Classifique a curva que ocorrerá a jusante dessa comporta. A alternativa "C " está correta. A altura e a declividade críticas serão (26): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal e Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Como a declividade de fundo é maior que a crítica, o canal é classificado como de declividade forte (S). Após uma distância suficientemente longa da comporta, o escoamento retornará ao regime permanente (altura ). Até lá, a comporta de fundo provoca uma altura menor, caracterizando a região 3 (Quadro 3). Portanto, a classificação é S3. 3. Em um canal com declividade fraca, após um trecho bastante longo, há uma elevação brusca de fundo em um pequeno comprimento (degrau). Qual opção a seguir representa adequadamente o perfil d’água? A alternativa "D " está correta. Após um longo trecho em declividade fraca (M), o escoamento terá atingido o regime uniforme subcrítico (altura maior que ). Nesse regime, conforme vimos no Módulo 2 (Figura 16), uma elevação de fundo (redução da energia específica E) causará redução da altura Portanto, teremos próximo do degrau um trecho com escoamento variado onde caracterizado como M2 (Quadro 3). Entre as alternativas, a que é compatível com essa classificação é a da letra D. 4. A respeito de um canal com fraca declividade, composto por curvas do tipo M, conforme apresentado na figura a seguir, assinale a alternativa correta. I – A curva M1 é uma curva típica de remanso que ocorre a montante de uma barragem. II – A curva M2 ocorre a montante de uma queda brusca. III – A curva M3 ocorre a montante de comportas com abertura inferior à altura crítica para a vazão descarregada. A alternativa "C " está correta. Vamos analisar cada uma das afirmações: I – Correto: Conforme o exemplo resolvido em Perfis de escoamento gradualmente variado, tendo em vista que o efeito a montante da barragem será o mesmo que a montante de uma comporta, ou seja, elevação do nível d’água. II – Correto: A vazão causada por uma queda brusca será a máxima vazão que pode ser causada para uma determinada energia específica, que, conforme visto no Módulo 2 (imagem 17), ocorre em escoamento crítico. Portanto, na região de variação (entre o trecho de regime uniforme e a queda d’água), a altura estará entre e yc = ( ) = [ ] = [ ] = 0,44m q2 g 1 3 (Q/b) 2 g 1 3 ( ) 21,4 1,5 9,8 1 3 Ic = n 2gyc( ) 4/3 = (0,013)2 ⋅ 9,8 ⋅ 0,44( ) = 0,00403 ≅4m/km2yc+b ycb 2⋅0,44+1,5 0,44⋅1,5 4 3 m m I0 = 8m/km yn y < yn < yc yn, yc y. yc < y < yn, yc yn, o que se situa na região 2 (quadro 3). III – Errado: Na montante de comportas, a curva obtida é a M1, conforme o exemplo feito em Perfis de escoamento gradualmente variado. 5. O fechamento rápido de uma comporta causa elevação da altura d’água na sua montante de 1,20m para 2,00m. Se a velocidade do escoamento antes do fechamento é de 1,5m/s, calcule a velocidade com que essa onda de cheia se propagará para montante. A alternativa "E " está correta. VELOCIDADE DA ONDA DE CHEIA 6. (INEA – Engenheiro hidráulico − 2008) Está sendo elaborado um programa para cálculo de remanso em um canal retilíneo. Para verificar se o cálculo está correto, resolveu-se testar o programa calculando em um único passo o remanso para a situação apresentada na tabela a seguir, que também apresenta parte dos resultados encontrados. Tabela: Cálculo de Remando Elaborada por: Gabriel de Carvalho Nascimento e Elson Antonio do Nascimento. Considere: • Declividade do canal • Canal retangular com largura do canal • Coeficiente de Manning (concreto). • Aceleração da gravidade (I0) = 0, 0005m/m. (b) = 2m. (n) = 0, 015 (g) = 9, 81m/s². • Quatro casas depois da vírgula na declividade da linha de energia. Qual será o valor esperado para a distância entre a seção e a seção ? A alternativa "C " está correta. O incremento da posição x é calculado pela equação (27): Atenção! Para visualização
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