Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
31 Além disso, as seções de escoamento podem apresentar variações de rugosidade ao longo do seu contorno. Desta forma, é necessária a estimativa de um valor médio para representar o coeficiente de rugosidade de Manning. Para seções simples onde há variação de rugosidade ao longo do perímetro, pode-se estimar o coeficiente de rugosidade de Manning através da seguinte fórmula. ( ) 32ii P nP n ∑ ⋅ = onde: n é o coeficiente de rugosidade de Manning global; Pi é o perímetro molhado associado à superfície i; ni é o coeficiente de rugosidade de Manning associado à superfície i; e, P é o perímetro molhado da seção total. Para seções compostas de canais artificiais e, sobretudo, para seções naturais, a determinação de um valor de n global através do perímetro molhado não apresenta resultados satisfatórios. Desta forma, calcula-se uma rugosidade equivalente para a seção total, através de uma ponderação pelas áreas associadas a um trecho da superfície, conforme proposto pelo U.S. SoilConservation Service e apresentado a seguir. ( ) A nA n ii ∑ ⋅ = onde: n é o coeficiente de rugosidade de Manning equivalente para a seção; Ai é a área associada a uma superfície i; ni é o coeficiente de rugosidade de Manning associado à superfície i; e, A é a área molhada da seção de escoamento. 32 1.2.3 Dimensionamento de Canais Canais são estruturas hidráulicas utilizadas para a condução da água de forma a compatibilizar as necessidades com os volumes disponíveis, no tempo e no espaço. O dimensionamento hidráulico de canais é feito através dos procedimentos baseados, usualmente, na hipótese de regime de escoamento uniforme, que é caracterizado por uma constância da profundidade da água, da área molhada da seção transversal e da velocidade do escoamento, com a utilização da fórmula de Manning. IRA n 1Q 3 2 h ⋅⋅⋅= onde: Q é a vazão do escoamento (m³/s); n é o coeficiente de rugosidade de Manning; A é a área da seção transversal ao escoamento (m²); Rh é o raio hidráulico da seção transversal do escoamento (m); e I é a declividade longitudinal do fundo do canal (m/m). Os canais devem ser dimensionados para as chamada seções de máxima eficiência, que corresponde àquela seção que apresenta a maior vazão de escoamento para o menor perímetro molhado. A seguir são apresentados quadros correspondentes às características geométrica das seções de escoamento e às seções de máxima eficiência. 33 Ca ra ct e rís tic a G e o m ét ric a s da s se çõ e s Se çõ e s de M áx im a Ef ic iê n ci a 34 No caso particular das seções circulares, que são utilizadas nas redes de esgoto e de drenagem de águas pluviais, o dimensionamento pode ser feito através de tabelas que relacionam a vazão relativa (Qx/Qp) e a velocidade relativa (Ux/Up) com a altura relativa da lâmina de água no interior do conduto (y/D). As vazões e as velocidades à seção plena, Qp e Up respectivamente podem ser dadas pelas seguintes equações: ID n 1,0Q 3 8 p ⋅⋅pi⋅= e IDn 4,0U 3 2 p ⋅⋅pi⋅= Para condutos parcialmente cheios, utiliza-se a tabela a seguir: Para canais prismáticos, de acordo com as características do material do canal, deve se considerar inclinações máximas do talude lateral para se evitar colapsos das margens. Para isso é preciso seguir as orientações apresentadas na tabela a seguir. 35 Material do Canal Inclinação Máxima do Talude H:V z(H):1(V) Rocha sã vertical 0 Rocha alterada ¼:1 0,25 Solo argiloso compactado ½:1 a 1:1 0,50 a 1,00 Solo em geral, canais largos 1:1 1,00 Solo em geral, canais estreitos 1½:1 1,50 Solo arenoso solto 2:1 2,00 Solo argiloso poroso 3:1 3,00 1.2.3.1 Borda Livre Borda Livre é a distância vertical entre o topo do canal e a superfície de água nas condições de projeto. É uma faixa de segurança adicional na altura do canal dado às incertezas no dimensionamento hidráulico. Usualmente a borda livre é definida com valores variando entre 5 a 30% da profundidade do escoamento. Uma opção é proceder ao dimensionamento considerando a vazão de cálculo majorada de 30%. (Qp = 1,3 ⋅ Q) 1.2.3.2 Sobrelevação em Curvas Nos trechos de curva, devido ao efeito da força centrífuga, a água tende a deslocar-se em direção da margem externa das curvas. Isso causa uma sobrelevação nessa margem e, por consequência, um abaixamento do nível de água na outra margem. Para o caso do regime de escoamento subcrítico a sobrelevação pode ser determinada pela seguinte equação. = = ⋅ ⋅ ⋅=∆ transição) (com 5,0C transição) (sem 1,0C rg BUCy c 2 limitada por: yg BU4 r 2 mínc ⋅ ⋅⋅ = onde: ∆y é a sobreelvação (B); U é a velocidade média do escoamento (m/s); B é a largura do topo do canal (m); g é a aceleração da gravidade (9,81 m/s²); e, rc é o raio central da curva (m). 36 Para o caso do regime de escoamento supercrítico, devido ao fato de existirem ondas transversais ao escoamento, a sobrelevação pode ser determinada pelo seguinte processo: � Determina-se o valor de θ (ângulo de alternância da máxima sobrelevação) através do ábaco a seguir; � Determina-se o valor de β, ymáxe ymín através das seguintes equações: ( )1rFarcsen −=β ( )2senFy 22r θ±β⋅= ondeFr é o número de Froude do escoamento3. � Em seguida, calculam-se as alturas máxima e mínima de lâmina d’água no escoamento: 0máxmáx hyh ⋅= 0mínmín hyh ⋅= 3 Vide Apêndice B 37 1.2.4 Dimensionamento de Bueiros Bueiros são estruturas hidráulicas, normalmente construídas em fundo de vales, que objetivam a passagem de águas dos talvegues por sob obras de terraplanagem. Os bueiros, normalmente, não possuem características de reservação de água, desta forma o seu dimensionamento é feito pela vazão máxima do hidrograma de projeto. Os bueiros podem ser classificados quanto ao número de linhas como simples (S), Duplo (D) ou Triplo (T); quanto à forma da seção como Tubular (T) ou Celular (C) e quanto ao material de construção como de Concreto (C) ou Metálicos (M). Por exemplo, tem-se: BDTM∅1,00 é bueiro Duplo Tubular Metálico, com diâmetro 1,00 m, ou BTCC 3,00x2,00 é bueiro Triplo Celular de Concreto, com dimensões 3,00 m de base por 2,00 m de altura. Para o dimensionamento dos bueiros é necessário o conhecimento do funcionamento dos mesmos. O funcionamento do bueiro será como canal quando as extremidades de montante e de jusante não se encontram submersas. Logo, existe uma superfície livre ao longo de todo o conduto e a vazão afluente é inferior a vazão admissível à estrutura hidráulica. Essa condição é verificada para profundidade de montante até 20% superior à dimensão vertical do bueiro. B B h 0 38 Bueiro funcionando como canal Nessa condição, o dimensionamento é dependente do regime do escoamento. Desta forma, para se determinara o regime de escoamento dentro do bueiro deve-se calcular a declividade crítica utilizando-se as equações seguintes: 3 2 c D n82,32I ⋅= ..............................................para bueiros tubulares 3 4 3 2 c B H43 H n6,2I ⋅ +⋅ ⋅ = ..............................para bueiros celulares onde: Ic é a declividade crítica (m/m); n é o coeficiente de Manning; D é o diâmetro do bueiro (m); H é altura do bueiro (m); e, B e a largura do bueiro (m). Desta forma, compara-se a declividade do fundodo bueiro (I) com a declividade crítica calculada e toma-se uma das três decisões: � I <Ic⇒ escoamento subcrítico; � I >Ic⇒ escoamento supercrítico; � I = Ic⇒ escoamento crítico. Para a condição de escoamento subcrítico, a vazão admissível (Qadm) e a velocidade média do escoamento (U) podem ser determinadas através das seguintes equações: 39 ⋅⋅= ⋅⋅= ID n 452,0U ID n 305,0Q 3 2 3 8 adm .................................para bueiros tubulares ( ) ( ) ⋅⋅ = ⋅ ⋅+ ⋅⋅ = HB8,0 QU n I H6,1B HB8,0Q adm 2 5 adm ............................para bueiros celulares Para a condição de escoamento supercrítico, tem-se: ⋅= ⋅= D56,2U D533,1Q 2 5 adm .......................................para bueiros tubulares ⋅= ⋅⋅= H56,2U HB075,1Q 2 3 adm ...................................para bueiros celulares Em todos esses casos, o dimensionamento é para uma profundidade da lâmina d’água igual a 80% da dimensão vertical do bueiro. Quando a vazão de dimensionamento supera a vazão admissível do funcionamento como canal a água acumula na entrada do bueiro e este passa a funcionar como um orifício. Bueiro funcionando como orifício Para a condição de funcionamento do bueiro como orifício, a vazão admissível (Qadm) e a velocidade média do escoamento (U) podem ser determinadas através das seguintes equações: 40 ⋅= ⋅⋅= h79,2U hD192,2Q 2adm .................................para bueiros tubulares = ⋅⋅⋅= h56,2U hHB751,2Qadm ................................para bueiros celulares Quando os níveis de água de montante e de jusante superam a altura do bueiro (H ou D), diz-se que o bueiro trabalha afogado com funcionamento como conduto forçado. Bueiro funcionando como conduto forçado Nessa condição a seguinte equação é satisfeita: HLIHH jm ∆+⋅−= onde: Hm é a carga a montante do bueiro (m); Hj é a carga a jusante do bueiro (m); I é a declividade do fundo do bueiro (m/m); L é o comprimento do bueiro (m); e, ∆h é a perda de carga quando do escoamento ao longo do bueiro (m). A perda de carga do escoamento ao longo do bueiro pode ser calculada através da seguinte equação: g2 U R Lng2CCH 2 3 4 h 2 se ⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ++=∆ ondeCe e Cs são os coeficientes de perda de carga na entrada e na saída do bueiro, respectivamente, normalmente tabelados conforme apresentado a seguir: 41 Coeficientes de perda de carga na entrada para bueiros tubulares Tipo de estrutura de entrada Concreto Metálico “bolsa” saliente, com ou sem muro e alas 0,2 - “ponta” saliente, com ou sem muro e ala 0,5 - Saliente, sem muro e alas - 0,9 Saliente, com muro e alas - 0,5 Muro de testa, final do tubo arredondado 0,2 - Muro de testa, sem alas - 0,2 a 0,5 Tubo bisetado 0,7 0,7 Seção terminal conformada com o aterro 0,5 0,5 Coeficientes de perda de carga na entrada para bueiros celulares Tipo de estrutura de entrada Faixa Usual Entrada angular 0,2 a 0,7 0,5 Entrada hidraulicamente adequada 0,2 a 0,7 0,2 Para o coeficiente de perda de carga na saída de bueiros, os valores variam entre 0,3 a 1,0, porém, é usualmente utilizado o valor igual a 1,0. Para todos os casos apresentados existe a possibilidade de se utilizar linhas de bueiro duplas ou triplas. Desta forma, deve-se reduzir a capacidade de vazão no bueiro em 5% para cada linha adicional em função das condições de entrada. 1.2.5 Dimensionamento de Escadas ou Descidas de Água Escada ou Descida de Água são estruturas muito utilizada em engenharia hidráulica compostas de degraus e utilizadas para vencer desníveis. Quando os desníveis são pequenos e permitem a formação de degraus como patamares longo o suficiente para a formação de ressaltos hidráulicos, tem-se os chamados escoamentos em degraus, conforme mostrado na figura a seguir. 42 O dimensionamento desse tipo de estrutura é feito através de um parâmetro chamado Número de Queda dado pela seguinte equação: ( ) 3 2 n hg B Q D ⋅ = onde: Dn é o número de queda; Q é a vazão de dimensionamento (m³/s); B é a largura da escada (m); g é a aceleração da gravidade (m/s²); e, h é a altura do degrau (m). Desta forma, as dimensões do degrau são dadas pelas fórmulas a seguir, em função do número de queda: 27,0 n d D30,4 h L ⋅= 22,0 n p D00,1 h y ⋅= 425,0 n 1 D54,0 h y ⋅= 27,0 n 2 D66,1 h y ⋅= ( )12 yy9,6L −⋅= onde: Ld é o comprimento da queda (m); yp é a profundidade da água na parte anterior da queda (m); y1 é a profundidade da água na parte posterior da queda (m); y2 é a profundidade conjugada de jusante do ressalto hidráulico (m); L é o comprimento do ressalto hidráulico (m). Quando a declividade do terreno é elevada (0,087 m/m a 1,42 m/m, ângulo com a horizontal variando entre 5º a 55º), os degraus são curtos o suficiente para que não haja a formação do ressalto hidráulico e o escoamento salte sobre eles, provocando turbilhonamento (skimmingflow). Nesta situação a escada funciona como um canal e os degraus funcionam com uma rugosidade do revestimento desse canal.
Compartilhar