aps 2016.2 (final)

Prévia do material em texto

INSTITUTO DE ENSINO SUPERIOR DA GRANDE FLORIANÓPOLIS 
ENGENHARIA CIVIL 
ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA 
 
 
 
 
 
 
 
 
BACIAS HIDROGRÁFICAS 
DIMENSIONAMENTO DE BUEIRO 
 
 
 
EDINA TREVISO 
ELIZEU DA SILVA 
JACKSON FILIPE DE ABREU 
THAIANE CARMINATI 
 
 
 
 
 
 
 
 
SÃO JOSÉ 
2016 
 
EDINA TREVISO 
ELIZEU DA SILVA 
JACKSON FILIPE DE ABREU 
THAIANE CARMINATI 
 
 
 
 
 
 
 
BACIAS HIDROGRÁFICAS 
DIMENSIONAMENTO DE BUEIRO 
 
 
 
Trabalho referente a atividade prática 
supervisionada 2016/2 do curso de 
engenharia civil apresentado ao Instituto 
de Ensino Superior da Grande 
Florianópolis. 
 
 
 
 
 
 
SÃO JOSÉ 
2016 
 
SUMÁRIO 
 
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................. 4 
2. Revisão Bibliográfica ................................................................................... 6 
2.1. Método Racional ................................................................................... 6 
2.2. Hidrograma Unitário (HU) ...................................................................... 8 
3. ESTUDO DE CASO ................................................................................... 10 
3.1. Determinação da Bacia Hidrográfica ................................................... 10 
3.2. Dimensionamento da bacia ................................................................. 11 
4. CONCLUSÃO ............................................................................................ 19 
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................. 20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
Bacia hidrográfica é uma unidade fisiográfica, limitada por divisores 
topográficos, tal que recolhe a precipitação, age como um reservatório de água 
e sedimentos, é drenada por um curso d’água ou um sistema conectado de 
cursos d’água, e toda vazão efluente é descarregada em uma seção fluvial única, 
denominada seção exutória ou exutório. Os divisores topográficos são 
condicionados pela topografia e limitam a área de onde provém o deflúvio 
superficial da bacia. (FREIRE; OMENA, 2005) 
 Segundo, Pires, Santos e Prette (2002), na perspectiva de um estudo 
hidrológico, o conceito de bacia hidrográfica envolve explicitamente o conjunto 
de terras drenadas por um corpo d’água principal e seus afluentes e representa 
a unidade mais apropriada para o estudo qualitativo e quantitativo do recurso 
água e dos fluxos de sedimentos e nutrientes. Embora tecnicamente o conceito 
implícito no termo seja preciso, podem existir variações no foco principal, 
conforme a percepção dos técnicos que o utilizam em seus estudos. 
O movimento das águas na superfície da terra em deslocamento, em 
função do efeito da gravidade, constitui o Escoamento Superficial. O escoamento 
superficial em um rio está direto ou indiretamente relacionado com as 
precipitações que ocorrem na bacia hidrográfica. (Pedrazzi, 2004). 
 Como descreve Júnior (2006), a ocorrência do escoamento superficial 
como fase do ciclo hidrológico é necessário levar em consideração os seguintes 
fatos. Quando uma chuva atinge determinada área ou bacia hidrográfica, parte 
de suas águas é interceptada pela vegetação (e/ou outros obstáculos), de onde 
se evapora posteriormente, e o restante atinge a superfície do solo. 
As grandezas que caracterizam o escoamento superficial em uma bacia 
hidrográfica são: a vazão do curso d’água principal, o coeficiente de escoamento 
superficial (runoff) da bacia, a precipitação efetiva, o tempo de concentração, a 
frequência de ocorrência das vazões e o nível de água que se correlaciona com 
a vazão. (JÚNIOR, 2016). 
Para que essa vazão principal (de pico) seja determinada, temos os 
“Métodos de dimensionamento de vazão de pico” que apresentaremos no 
 
5 
 
trabalho, no qual o método racional é o mais conhecido e também um dos mais 
aplicados por sua facilidade. Assim do mesmo modo pelo “Hidrograma Unitário” 
que exemplifica graficamente o pico máximo de vazão em determinado tempo. 
A definição de GRIBBIN (2014) para o método racional, é que é um 
método para o cálculo do escoamento que entre outros métodos é considerado 
o mais duradouro. Utiliza-se para cálculo de vazão de pico Qp depois de um 
evento de chuva, não calculando o escoamento antes ou depois e sim calcula a 
maior vazão produzida por uma determinada bacia hidrográfica. 
O Hidrograma Unitário (HU) é um hidrograma de escoamento superficial 
direto, onde a área sob esta curva corresponde a um volume unitário de 
escoamento superficial direto, resultante de uma chuva efetiva com intensidade 
e duração unitárias. É um dos métodos mais práticos disponíveis para determinar 
a relação entre a precipitação e o hidrograma resultante. (PORTO; ZAHED 
FILHO; MARCELLINI, 1999). 
As informações obtidas através do método podem ser amplamente 
utilizadas na determinação de um hidrograma de projeto para estabelecer a 
capacidade de obras tais como: galerias de águas pluviais, bueiros rodo-
ferroviários, vertedores de barragens e estruturas de proteção contra enchentes. 
(PORTO; ZAHED FILHO; MARCELLINI, 1999) 
Para o dimensionamento de um bueiro por exemplo, o qual será 
apresentado no decorrer do trabalho, trabalharemos com o método racional para 
de terminar a vazão de pico e equação de manning para ver se dimensão pré 
determinada sera suficiente. 
Os bueiros devem ter suas dimensões respeitadas tanto para unidades 
circulares quanto para celulares. 
 
 
 
 
 
6 
 
2. Revisão Bibliográfica 
 
Para o dimensionamento do bueiro dado para a atividade prática, é 
necessário que se calcule a vazão de pico para isso será utilizado o Método 
Racional. 
Os bueiros são obras destinadas a permitir a passagem livre das águas 
que acorrem as estradas. Compõem-se de bocas e corpo. Corpo é a parte 
situada sob os cortes e aterros. As bocas constituem os dispositivos de admissão 
e lançamento, a montante e a jusante, e são compostas de soleira, muro de testa 
e alas. (DNIT, 2006). 
Obtendo-se a vazão através desse método é possível utilizar a equação 
de Manning para dimensionar o bueiro seguindo as suas dimensões de acordo 
com o tipo e utilizando apenas 80% da área de sua seção. Pode-se elaborar um 
hidrograma unitário para mostrar graficamente a vazão da bacia com base na 
relação entre precipitação e tempo unitário. O hidrograma é simples mas 
exemplifica bem o pico máximo de vazão para uma determinada quantidade de 
chuva. 
 
2.1. Método Racional 
 
Segundo TOMAZ (2016), o método racional é um método indireto e foi 
apresentado pela primeira vez em 1851 por Mulvaney e usado nos Estados 
Unidos por Emil Kuichling em 1889 e estabelece uma relação entre a chuva e o 
escoamento superficial (deflúvio). O nome método Racional é para contrapor os 
métodos antigos que eram empíricos e não eram racionais. Na Inglaterra Lloyd-
Davies fez método semelhante em 1850 e muitas vezes o método Racional é 
chamado de Método de Lloyd-Davies. 
A formula do método racional é definida como: 
 
7 
 
 Q= C . I . A /360 
Sendo: 
Q= vazão de pico (m³/s); 
C= coeficiente de escoamento superficial varia de 0 a 1. C= volume de runoff/ 
volume total de chuva. C = Coeficiente de deflúvio. 
I= intensidade média da chuva (mm/h); 
A= área da bacia em Km² 
O Coeficiente de deflúvio representa essencialmente a relação entre a 
vazão e a precipitação que lhe deu origem, o que envolve além do volume da 
precipitaçãovertida, a avaliação do efeito da variação da intensidade da chuva 
e das perdas por retenção e infiltração do solo durante a tempestade de projeto. 
(DNIT, 2005). 
 C = volume total precipitado / volume total escoado 
Este coeficiente pode ser relativo a uma chuva isolada ou relativo a um 
intervalo de tempo onde várias chuvas ocorreram. (CARVALHO; SILVA, 2016). 
 
A intensidade pluviométrica é dada por: 
 i = P / Tc 
Intensidade (I ou i) é a precipitação por unidade de tempo, obtida como a 
relação I= P / t, se expressa normalmente em mm/hora ou mm/minuto (TOMAZ, 
2016). 
Para estabelecer a formula usada nesse método, admite-se uma chuva 
de intensidade constante e uniformemente distribuída sobre a superfície da bacia 
e, com isto, para todas as partes da bacia contribuírem simultaneamente com 
seus deflúvios no ponto onde se está avaliando a descarga, a duração da chuva 
deverá ser igual ou maior que o seu tempo de concentração. Como a intensidade 
 
8 
 
da chuva decresce com o aumento da duração, a descarga máxima resulta de 
uma chuva com duração igual ao tempo de concentração da bacia (DNIT, 2005). 
Segundo TOMAZ (2016), para se aplicar o método racional, isto é, para 
se fazer a síntese, é muito importante saber a análise, isto é, os limites em que 
o método racional tem validade. O método racional deverá ser aplicado com as 
seguintes considerações: 
1) A área da bacia deve ser sempre inferior a 3km²; 
2) O tempo de concentração deverá ser calculado de preferência pelo 
método cinemático; 
3) O período de retorno deve ser maior quanto mais importante for a obra; 
4) Deverá ser feita análise de sensibilidade dos parâmetros adotados; 
5) De modo geral o método racional conduz a resultados de picos de 
vazão maiores que outros métodos; 
6) Quando se precisar da hidrógrafa, isto é, da vazão de escoamento 
superficial variando com o tempo, usar outro método, como o Método Santa 
Bárbara, Método do SCN ou Método de Denver; 
 
2.2. Hidrograma Unitário (HU) 
 
 Como sugere o DNIT (2005), para o dimensionamento de pontes e 
bueiros rodoviários, na maioria dos casos, não se dispõe de dados fluviométricos 
do curso d’água envolvido, ou mesmo próximo à obra, especialmente tratando-
se de bacias hidrográficas de pequena importância hidrológica que são as mais 
comuns. 
Nesses casos a metodologia de cálculo mais indicada refere-se a 
aplicação fluviograma, ou hidrograma unitário sintético (HU), como é com mais 
frequência designado, cujas características se baseiam na generalização das 
condições médias de escoamento de numerosos estudos para os quais se 
dispõem de dados fluviais. (DNIT, 2005). 
 
9 
 
Conceitualmente MORAES (2016), defini que o Hidrograma Unitário (HU) 
é o hidrograma do escoamento direto, causado por uma chuva efetiva unitária 
(por exemplo, uma chuva de 1mm ou 1 cm). 
 Figura 1.Exemplo do Hidrograma Unitário para 1 mm de chuva. 
 
 Fonte: Mayara Moraes 
 
Para simplificar a análise e facilitar os cálculos, é comum admitir-se que 
existe uma relação linear entre a chuva efetiva e a vazão. 
São três fases diferentes para se aplicar o hidrograma unitário sintético: 
1 – definição da chuva de projeto; 
2 – determinação da relação chuva-deflúvio, com suas perdas; 
3 – cômputo do hidrograma total, somando-se o produto dos excessos 
de precipitação pelas ordenadas do hidrograma unitário. 
A definição de chuva unitária é arbitrária, entretanto para efeito de 
comparação entre HU’s, costuma-se manter um padrão. Por exemplo, uma 
chuva com 1 mm e duração de 1h pode ser adotada como chuva unitária. 
Admite-se que essa chuva seja uniformemente distribuída sobre a bacia. 
(PORTO; ZAHED FILHO; MARCELLINI, 1999). 
 
 
 
 
10 
 
3. ESTUDO DE CASO 
 
3.1. Determinação da Bacia Hidrográfica 
 
 Figura 2. Bacia Hidrografica para dimensionamento do bueiro. 
 
 Fonte: Manolo 
 
 
11 
 
3.2. Dimensionamento da bacia 
 
 
 Cálculos de área da bacia 
Área 1 triangular = 
 𝑏.ℎ
2
 
A = 
500.1100
2
 
A = 275.000 m² 
 
Área 2 retangular = 𝑏. ℎ 
A = 1400.1150 
A =1.610.000 m² 
 
Área 3 retangular = 𝑏. ℎ 
A = 1500.550 
A = 825.000 m² 
 
Área 4 trapezoidal = 
(𝐵+𝑏).ℎ
2
 
A = 
(1900+850).500
2
 
A = 687.500 m² 
 
Área total: 3.397.500 m² ou 3,40 Km² 
 
 Perímetro da bacia 
 
Perímetro total = 7700 m ou 7,7 Km 
 
 Comprimento do rio principal 
 
C𝑟𝑖𝑜 = 3350 m ou 3,35 Km 
 
12 
 
 Declividade do talvegue principal 
i = 
∆ℎ
𝐿
 
i = 
840−725
3350
 
i = 0,034 m/m 
 
 
 
 Utilizando o método racional para cálculo da vazão de pico da bacia 
Q = 
𝑐.𝑖.𝐴
3,6
 
Onde: 
Q - Vazão de pico em (m³/s); 
c – Coeficiente de runoff (adimensional); 
i – intensidade de chuva (mm/h); 
A – Área da bacia (Km²). 
 
imáx = 
3445,7.𝑇𝑟0,138
(𝑡+26)1,012
 
i – intensidade de chuva (mm/h); 
Tr – tempo de retorno (anos); 
tc - tempo de concentração (minutos). 
 
tc= 0,39. ( 
𝐿2
𝑆
)¨0,385 
tc - tempo de concentração (minutos); 
L - Comprimento do talvegue principal (m); 
S - Declividade do talvegue principal (%). 
 
 Para cálculos do tempo de retorno adotamos S = 3,4 % e L = 3350 m. 
 
 
13 
 
tc= 0,39. ( 
33502
3,4
)¨0,385 
tc = 126,10 min 
 
 Para cálculos de intensidade de chuva máxima utilizamos Tr = 25 anos e 
tc = 126,10 min. 
imáx = 
3445,7.250,138
(126,10+26)1,012
 
imáx = 33,26 mm/h 
 Após esses cálculos é possível calcular a vazão de pico pelo método 
racional. Utilizamos imáx= 33,26 mm/h, C= 0,4 (tabelado) e A = 3,40 Km². 
Q = 
0,4.33,26.3,40
3,60
 
Q= 12,56 m³/s 
 
 Dimensionamento do bueiro pela equação de mannig 
Adotamos como ponto de partida que iremos utilizar bueiro celular de concreto 
em boas condições. Começando os cálculos para determinar as dimensões que 
satisfaça a vazão de pico calculada anteriormente. 
 Fórmulas utilizadas: 
 
Rh: 
𝐴
𝑃
 
Onde: 
Rh – Raio hidráulico (m); 
A – Área molhada do bueiro (m²); 
P – Perímetro molhado do bueiro (m). 
 
Q = 
𝐴.𝑅ℎ2/3√𝐼𝑜
𝜂
 
 
Onde: 
Q = Vazão (m³/s); 
Rh – Raio hidráulico (m); 
 
14 
 
A – Área do bueiro (m²); 
Io – declividade de fundo (m/m); 
𝜂 – coeficiente de rugosidade de manning. 
 
 1ª tentativa bueiro celular de 1,0x1,0 m 
 
 Sabendo que é possível utilizar no máximo 80% da área da seção do 
bueiro; 
A = 𝑏. ℎ 
A = 1.0,8 
A = 0,80 m² 
P = 𝑏 + 2. ℎ 
P = 1 + 2.0,8 
P = 2,6 m 
Rh: 
0,80
2,6
 
 
Rh = 0,31 m 
 
 Calculo de vazão pela formula de manning onde: 
Dados: 
A= 0,80 m² 
Rh= 0,31 m 
Io= 0,01 m/m (teste) 
𝜂= 0,013 (tabelado) 
 
Q = 
0,80.0,312/3√0,01
0,013
 
Q= 2,82 m³/s 
 
Não sendo possível atender a vazão de pico. 
 
15 
 
 
 2ª tentativa para bueiro celular de 1,5x1,5m 
 
 Sabendo que é possível utilizar no máximo 80% da área da seção do 
bueiro; 
A = 𝑏. ℎ 
A = 1,5.1,2 
A = 1,8 m² 
P = 𝑏 + 2. ℎ 
P = 1,5 + 2.1,2 
P = 3,9 m 
Rh: 
1,8
3,9
 
 
Rh = 0,46 m 
 
 Calculo de vazão pela formula de manning onde: 
Dados: 
A = 1,8 m² 
Rh = 0,46 m 
Io = 0,01 m/m (teste) 
𝜂 = 0,013 (tabelado) 
 
Q = 
1,8.0,462/3√0,01
0,013
 
Q= 8,25 m³/s 
Não sendo possível atender a vazão de pico. 
 
 3ª tentativa para bueiro celular de 2,0x2,0m 
 
 Sabendo que é possível utilizar no máximo 80%da área da seção do 
bueiro; 
 
16 
 
A = 𝑏. ℎ 
A = 2.1,6 
A = 3,2 m² 
P = 𝑏 + 2. ℎ 
P = 2 + 2.1,6 
P = 5,2 m 
 
Rh: 
3,2
5,2
 
 
Rh = 0,61 m 
 Calculo de vazão pela formula de manning onde: 
Dados: 
A = 3,2 m² 
Rh = 0,61 m 
Io = 0,01 m/m (teste) 
𝜂 = 0,013 (tabelado) 
 
Q = 
3,2.0,612/3√0,01
0,013
 
Q= 17,70 m³/s 
 Cálculo para verificação da velocidade 
V = 
𝑄
𝐴
 
V = 
17,70
3,2
 
V = 5,53 m/s 
Sendo possível atender a vazão de pico, porém ultrapassa a velocidade 
máxima que seria de 4 m/s. 
 
 
 
 
17 
 
 4ª tentativa para bueiro celular de 1,5x1,5m 
 
 Sabendo que é possível utilizar no máximo 80% da área da seção do 
bueiro; 
A = 𝑏. ℎ 
A = 1,5.1,2 
A = 1,8 m² 
P = 𝑏 + 2. ℎ 
P = 1,5 + 2.1,2 
P = 3,9 m 
Rh: 
1,8
3,9
 
 
Rh = 0,46 m 
 
 Calculo de vazão pela formula de manning onde: 
Dados: 
A = 1,8 m² 
Rh = 0,46 m 
Io = 0,007 m/m (teste) 
𝜂 = 0,013 (tabelado) 
 
Q = 
1,8.0,462/3√0,007
0,013
 
Q= 6,90 m³/s 
 
Para um melhor custo benefício o mais indicado seria utilizar duas unidades 
deste bueiro celular de 1,5x1,5m com 0,7% de declividade. 
𝑄𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑄𝑏𝑢𝑒𝑖𝑟𝑜 . 2 
𝑄𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 6,90.2 
𝑄𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 13,8 m³/s 
 
18 
 
 
 Cálculo para verificação da velocidade 
 
V = 
𝑄
𝐴
 
V = 
13,8
3,6
 
V = 3,83 m/s 
Atendendo a todos pré-requisitos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
19 
 
4. CONCLUSÃO 
 
Podemos citar no presente trabalho dois métodos de 
dimensionamento de vazão de pico, na qual utilizamos o método racional 
para dimensionar a vazão de pico em uma bacia hidrográfica. Já para o 
dimensionamento do bueiro utilizamos a equação de manning. 
O método racional é uma boa opção, pois seus resultados de pico de 
vazão apresentam valores maiores que outros métodos e quando se 
utiliza para uma comparação com uma vazão de projeto, se torna bem 
aplicável. Porém é um método que tem suas limitações como exemplo a 
área da bacia que não deve exceder 3Km². 
Já para equação de manning, a mesma é utilizada para escoamento 
permanente uniforme (EPU) e turbulentos rugosos, na qual calculamos o 
número de Reynolds e foi confirmado o escoamento turbulento. 
Utilizamos uma declividade de 3,4 % a qual nos levou a um resultado 
para estimativa de vazão de pico de Q = 12,56 m³/s. Já para encontrar a 
área da seção ideal para essa vazão de pico, testamos 3 diferentes áreas, 
e 2 diferentes declividades como mostrado nos cálculos, na qual a área 
de duas unidades de 1,5x1,5m com declividade de 0,7% se apresentou a 
ideal, suportando uma vazão de Q = 13,80 m³/s, lembrando que usamos 
somente 80% da área do bueiro caracterizando-o como um conduto livre. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
20 
 
 
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
GRIBBIN, John E. Introdução á hidráulica, hidrologia e gestão de águas 
pluviais. Tradução de Andrea Pisan. São Paulo: Cengage Learning, 2014. 
TOMAZ, Plínio. Curso de Manejo de Águas Pluviais: Capítulo 02 Método 
Racional. 2013. Disponível em: 
<http://www.pliniotomaz.com.br/downloads/Novos_livros/livro_metodo_calculos
_vazao/capitulo02.pdf>. Acesso em: 20 out. 2016. 
DNIT/IPR. Http://ipr.dnit.gov.br/normas-e 
manuais/manuais/documentos/715_manual_de_hidrologia_basica.pdf. 20
05. Disponível em: <http://ipr.dnit.gov.br/normas-e-
manuais/manuais/documentos/715_manual_de_hidrologia_basica.pdf>. Acesso 
em: 20 out. 2016. 
PORTO, Rubem La Laina; ZAHED FILHO, Kamel; MARCELLINI, Silvana 
Susko. Escoamento Superficial: Análise do Hidrograma / Hidrograma Unitário. 
1999. 47 f. Curso de Engenharia Hidráulica e Sanitária, Escola Politécnica da 
Usp, São Paulo, 1999. Disponível em: 
<http://www.pha.poli.usp.br/LeArq.aspx?id_arq=7813>. Acesso em: 24 out. 
2016. 
PIRES, José Salatiel Rodrigues; SANTOS, José Eduardo dos; PRETTE, Marcos 
Estevan del. Conceitos de Bacias Hidrográficas - Teorias e Aplicações: A 
Utilização do Conceito de Bacia Hidrográ- fica para a Conservação dos Recursos 
Naturais. Ilhéus: Editus, 2002. 
FREIRE, Cleuda Custódio; OMENA, Sylvia Paes Farias de. Princípios da 
Hidrologia Ambiental. Alagoas: Ministerio da Ciência e Tecnologia, 2005. 
PEDRAZZI, J.A. FACENS – Hidrologia Aplicada. Disponível em: 
http://www.facens.br/site/alunos/download/hidrologia . Acesso em 22 Nov. 2016. 
BARBOSA JÚNIOR, Antenor Rodrigues. Elementos de Hidrologia 
Aplicada. Disponível em: 
<http://www.em.ufop.br/deciv/departamento/~antenorrodrigues/6_escoamento 
superficial.pdf>. Acesso em: 24 nov. 2016. 
CARVALHO, Daniel Fonseca de; SILVA, Leonardo Duarte Batista 
da. Hidrologia: CAPÍTULO 7. ESCOAMENTO SUPERFICIAL. Disponível em: 
<http://www.ufrrj.br/institutos/it/deng/leonardo/downloads/APOSTILA/HIDRO-
Cap7-ES.pdf>. Acesso em: 25 nov. 2016. 
 
21 
 
 PORTO, Rubem La Laina; ZAHED FILHO, Kamel; MARCELLINI, Silvana 
Susko. Hidrologia Aplicada: Escoamento Superficial. 1999. - Curso de 
Engenharia Hidráulica e Sanitária, USP, São Paulo, 1999. 
MORAES, Mayara. Hidrologia Aplicada: Goias: Video, 2016. Color. 
DNIT/IPR. http://www1.dnit.gov.br/normas/download/Manual_de_Drenage
m_de_Rodovias.pdf. 2006. Disponível em : < 
http://www1.dnit.gov.br/normas/download/Manual_de_Drenagem_de_Rodovias
.pdf>.