Aula 8 Canais ALDREI 2016 - HIDRAULICA E HIDROLOGIA

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Hidráulica e Hidrologia Aplicada
- 5º e 6º Período -
Prof. Msc. Aldrei Marucci Veiga
Instituto de Ciências Exatas e Tecnologia
Engenharia Civil
Campus: Goiânia - Flamboyant
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ESCOAMENTOS PERMANENTE E UNIFORME - CANAIS
8ª AULA
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ESCOAMENTOS PERMANENTE E UNIFORME - CANAIS
RESSALTO HIDRÁULICO
Ressalto Hidráulico ou salto hidráulico: é o fenômeno que ocorre na transição de um escoamento torrencial ou supercrítico para um escoamento fluvial ou subcrítico. O escoamento é caracterizado por uma elevação brusca no nível d’água, sobre uma distância curta, acompanhada de uma instabilidade na superfície com ondulações e entrada de ar do ambiente e por uma consequente perda de energia em forma de grande turbulência.
Este fenômeno local ocorre frequentemente nas proximidades de uma comporta de regularização ou ao pé de um vertedor de barragem. O ressalto é, principalmente, utilizado como dissipador de energia cinética de uma lâmina líquida que desce pelo paraleito do canal de restituição. 
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RESSALTO HIDRÁULICO
ESCOAMENTOS EM SUPERFÍCIE LIVRE
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ESCOAMENTOS EM SUPERFÍCIE LIVRE
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ESCOAMENTOS EM SUPERFÍCIE LIVRE
RESSALTO HIDRÁULICO
Aplicações do ressalto hidráulico:
-dissipação de energia de correntes rápidas;
-estabelecimento de seção de controle em regime crítico (para medição de vazão);
-reforço de queda utilizável em centrais hidrelétricas;
-mistura de substâncias químicas.
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ESCOAMENTOS PERMANENTE E UNIFORME - CANAIS
RESSALTO HIDRÁULICO
O ressalto hidráulico pode ser classificado em função do número de Froude (razão entre forças inerciais e de campo gravitacional) na seção de escoamento torrencial, denominado aqui como Fr1. Seguindo o exposto em Chow (1973, 2009), tem-se a seguinte classificação:
Se 1 < Fr1 < 1,7: ressalto hidráulico ondulado. Neste caso não se tem o ressalto propriamente dito, mas sim a formação de ondas que se propagam para jusante. A dissipação de energia é muito pequena, de modo que o ressalto não é empregado como dissipador;
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ESCOAMENTOS PERMANENTE E UNIFORME - CANAIS
RESSALTO HIDRÁULICO
Se 1,7 < Fr1 < 2,5: ressalto hidráulico fraco. Pouca energia é dissipada. Uma série de pequenos vórtices é formada sob a superfície livre na região do ressalto e a região a jusante do ressalto permanece aproximadamente uniforme e lisa;
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ESCOAMENTOS PERMANENTE E UNIFORME - CANAIS
RESSALTO HIDRÁULICO
O Se 2,5 < Fr1 < 4,5: ressalto oscilante. Para este intervalo, o ressalto apresenta uma superfície livre com ondulações e ocorre a formação de ondas que podem se propagar para jusante sobre longas distâncias. Este fenômeno pode causar erosões em alguns tipos de canais;
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ESCOAMENTOS PERMANENTE E UNIFORME - CANAIS
RESSALTO HIDRÁULICO
Se 4,5 < Fr1 < 9: ressalto estável. Este tipo de ressalto é empregado como dissipador de energia em bacias de dissipação. Aproximadamente 45% a 75% da energia total a montante do ressalto é dissipada ao longo de sua extensão;
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ESCOAMENTOS PERMANENTE E UNIFORME - CANAIS
RESSALTO HIDRÁULICO
Se Fr1 > 9: ressalto forte. Este tipo de ressalto não é empregado como dissipador de energia porque há o risco de ocorrência de erosões significativas em função da elevada turbulência.
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ESCOAMENTOS PERMANENTE E UNIFORME - CANAIS
RESSALTO HIDRÁULICO
Altura do salto hidráulico: considerando-se em um canal retangular, as duas seções indicadas na figura abaixo.
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ESCOAMENTOS PERMANENTE E UNIFORME - CANAIS
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ESCOAMENTOS PERMANENTE E UNIFORME - CANAIS
REMANSO HIDRÁULICO
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ESCOAMENTOS PERMANENTE E UNIFORME - CANAIS
REMANSO HIDRÁULICO
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ESCOAMENTOS PERMANENTE E UNIFORME - CANAIS
REMANSO HIDRÁULICO
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ESCOAMENTOS PERMANENTE E UNIFORME - CANAIS
REMANSO HIDRÁULICO
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MODELO REDUZIDOS
Slides estão no final desse material (ANEXO).
Fonte: ANDSON, C.; DANTAS, G.; MENESES,I. Seminário: Modelos Reduzidos. Universidade Federal de Campina Grande. Centro de Tecnologia e Recursos Naturais.
MODELOS REDUZIDOS
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Finalidades práticas:
Mudança geométrica do traçado de um rio;
Melhorar as condições de escoamento e estabilidade;
Possibilitar o rebaixamento da linha d’água das cheias;
Viabilizar a navegação;
Recuperar o terreno marginal, etc.
RETIFICAÇÃO DE CANAIS NATURAIS
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Perfis longitudinais:
RETIFICAÇÃO DE CANAIS NATURAIS
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Perfis transversais:
RETIFICAÇÃO DE CANAIS NATURAIS
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Critérios de Projetos:
a) Limites aconselháveis para velocidade média de escoamento nos condutos:
RETIFICAÇÃO DE CANAIS NATURAIS
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Critérios de Projetos:
b) Limites aconselháveis para inclinação de taludes (canais abertos):
RETIFICAÇÃO DE CANAIS NATURAIS
A inclinação dos taludes é também uma limitação que deve ser considerada principalmente nos condutos trapezoidais, triangulares e ovais.
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Considerações em projetos e construções de canais:
Obras de retificação, alargamento ou canalização devem ser feitas de jusante para montante;
Em projetos de canais, deve-se prever um aumento de 10 a 15% na rugosidade do canal;
Para canais abertos e, principalmente, os canais fechados deve-se deixar uma folga de 20 a 30% da altura d’água;
Em canais urbanos, deve-se evitar escavações em grandes profundidades (> 4,0 m) devido custos elevados, segurança de transeuntes e veículos, questões estéticas;
Outros estudos de caráter construtivos e não-construtivos.
RETIFICAÇÃO DE CANAIS NATURAIS
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ANEXO
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Seminário:
 MODELOS REDUZIDOS
Grupo:
 Carlos Andson
 Genibaldo Dantas
 Italo Meneses
Universidade Federal de Campina Grande
Centro de Tecnologia e Recursos Naturais
Unidade Acadêmica de Engenharia Civil
Disciplina: Fenômenos dos Transportes
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Modelos Reduzidos
 Representação ou interpretação simplificada da realidade, ou uma interpretação de um fragmento de um sistema segundo uma estrutura de conceitos. Servindo como parâmetro de previsão do comportamento de estruturas, máquinas, sistemas naturais, em diversas áreas das engenharias.
Modelo Reduzido AHE Mascarenhas de Moraes
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Modelos Reduzidos
Praticamente nenhuma grande obra hidráulica, como molhes, diques, quebra-mares, portos ou uma usina hidrelétrica, são projetadas sem estudos detalhados em vários tipos de modelos matemáticos e reduzidos.
A construção de modelos físicos, em escalas reduzidas, só foi possível após a descoberta da Teoria da Semelhança Mecânica por Isaac Newton.
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Modelos Reduzidos
Solução segura, confiável e econômica
Resulta também numa economia de tempo, pois prevê eventuais problemas ou soluciona os mesmos, evitando assim maiores problemas durante a execução;
Possui grande flexibilidade, pois permite a realização de vários ensaios em pouco tempo
Podem ser utilizados modelos reduzidos ou expandidos
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Modelos Reduzidos
TEORIA DA SEMELHANÇA
 Conjunto de princípios a serem obedecidos a fim de projetar, construir, operar e interpretar os sistemas (modelos) a partir dos quais se deseja prever o comportamento de outros sistemas (protótipo).
Modelo Reduzido Complexo Paulo Afonso
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Modelos Reduzidos
 Para que o modelo hidráulico seja idêntico ao protótipo, é preciso que haja uma semelhança hidráulica, para tanto são necessárias que 3 condições sejam satisfeitas.
Semelhança Geométrica
Semelhança Cinemática
Semelhança Dinâmica
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Modelos Reduzidos
 Semelhança geométrica: modelo e protótipo só diferem na escala, poderão ter dimensões diferentes, mas têm de ter o mesmo formato. Suas dimensões correspondentes deverão ser proporcionais;
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Modelos Reduzidos
 Semelhança cinemática: as velocidades das partículas de fluido homólogas deverão manter uma relação
constante,modelo e protótipo devem ter as mesmas escalas de comprimento e intervalos de tempo.Havendo isso, os dois fluxos de diferentes escalas geométricas tem o mesmo formato de linhas de corrente;
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Modelos Reduzidos
Semelhança dinâmica: Dois sistemas são dinamicamente semelhantes quando as forças que agem em pontos homólogos deverão manter relações constantes
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Modelos Reduzidos
 Entre as grandezas mais freqüentes nos fenômenos da mecânica dos Fluidos, temos:
 massa específica (ρ)
velocidade característica (v)
aceleração da gravidade (g)
 velocidade do som (c)
 A combinação dessas grandezas, adotando-se ρ,v,L como base, origina quatro adimensionais. Cada um desses adimensionais representa uma relação entre forças, que agem no escoamento de um fluido.
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Modelos Reduzidos
 Para que o modelo e o protótipo mantenham semelhança completa, é necessária a igualdade dos respectivos números adimensionais. Tal igualdade deve ser observada para que os resultados referentes ao modelo tenham significado para o protótipo. 
1- Número de Reynolds (Re)
2 - Número de Euler (Eu)
3 - Número de Froude (Fr)
4- Número de Mach (M)
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Modelos Reduzidos
Número de Reynolds, sendo essa semelhança mais utilizada nos modelos hidrodinamicos de escoamento em condutos forçados, como turbinas e bombas. Diferencia os regimes de escoamento, em laminar e turbulento;
Número de Froude, mais utilizado em condutos livres como canais, vertedores, portos, quebra-mares. Util nos cálculos de ressalto hidráulico, no projeto de estruturas hidráulicas
Número de Euler, indica a relação entre as forças de pressão e as forças de inércia no escoamento de um fluido. Importante no escoamentos em torno de perfis, em tubos, em máquinas hidráulicas
Número de Mach, amplamente utilizado em modelos aerodinâmicos de aviões e automoveis. Permite classificar os escoamentos em subsônicos ou supersônico.
 
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Modelos Reduzidos
 Diversas são as áreas de atuação que podem ser empregados os modelos reduzidos. No presente trabalho trataremos dos seguintes modelos:
 Modelos Hidráulicos de Hidrelétricas e Barragens
 Hidráulica Marítima
 Ensaios de Cargas de Vento
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Barragem de Pedra/Ba
 Localiza-se na Bahia à  18 km da cidade de Jequié e 400km da cidade de Salvador.
Características técnicas
- Tipo  - Concreto
- Vertedor  - 7 comportas do tipo setor
- Potência total instalada  -  20.007 kw
- Volume total do reservatório - 1.640 hm³
- Área da bacia hidrográfica  - 53.000 km²
- Área do reservatório  - 101 km²
- Vazão regularizada  - 10  m3/s
- Comprimento da crista  - 440  m
- Altura máxima da barragem  - 57 m
- Cota da soleira do vertedouro  - 219 m
- Nível máximo operativo normal  - 228 m
 
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Barragem de Pedra/BA
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Barragem da Pedra/BA
O Laboratório de Hidráulica II Manoel Gilberto de Barros, possui uma área de 400 m². e foi concluído em 1983. O laboratório foi construído para a realização do estudo em modelo reduzido da Barragem da Pedra, BA.
Desenvolvido para solucionar os problemas de inundação na região da casa de maquinas, o modelo reduzido serviu também para estudar os aspectos de erosão nas proximidades do dissipador de energia. 
Com esse modelo foi possível se estudar as características do fluxo de aproximação das águas e a lei de manobra das comportas.
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Barragem da Pedra/BA
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Modelo Reduzido - Itaipu 
 Construído na margem paraguaia, o Modelo obedece à escala de 1.100 e ocupa uma área de 5.500 m², mede 270 metros de comprimento por 12 metros de largura, representando um trecho de 27 km do rio Paraná.
 
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Modelo Reduzido - Itaipu
 Construído para analisar as condições de escoamento do vertedouro, definir a interferência a interferência do rio Iguaçu sobre o canal de fuga das turbinas de itaipu, e verificar o comportamento das águas a jusante da usina, quando uma turbina pára ou entra em operação. 
 	Permite ainda o estudo da influência dos ventos no sistema, determinando o regime de navegabilidade à jusante da barragem. 
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Modelo reduzido de belo monte montado na UFPR
 A hidrelétrica de Belo Monte, que será erguida no rio Xingu, no Pará, vai ser vista primeiro em Curitiba (PR). O modelo reduzido da usina está sendo feito pelo Lactec -– Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento. 
 Terá 2,5 mil m2, com 60 metros de comprimento e 40 de largura.  Ele tem uma planta topográfica com todo o relevo de Belo Monte, que será recriado com argamassa de cimento. Quando o mini Xingu passar por ali, terá vazão de 567 litros por segundo - no tamanho real, são 72 mil metros cúbicos por segundo.
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Hidráulica Marítima
 Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica Exemplos de estudos realizados:
 Estudo em modelo reduzido de Praia Mole, Vitória - ES 
Finalidade: Estudo da otimização das obras de proteção externas, considerando a agitação máxima admissível junto às obras de atracação.
Metodologia: Construção de modelo reduzido de um trecho do litoral do Espírito Santo
Resultados: Definição do arranjo geral dos quebra-mares de abrigo do porto, bem como das características granulométricas e geométricas de suas seções transversais.
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Hidráulica Marítima
 Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica Exemplos de estudos realizados:
Estudo em modelo reduzido da implantação de Terminal de Petróleo e da ampliação do Cais de Itaqui, São Luís – MA
 Finalidade: Otimização da posição e arranjo geral para os berços de atracação do Cais.
 Metodologia: Operação do modelo reduzido do Terminal Marítimo de Ponta da Madeira medindo-se velocidade das correntes, esforços sobre os cabos de amarração dos navios atracados .
 Resultados: Em função das recomendações sugeridas pelo estudo foi alterada a posição original prevista para o Terminal de Petróleo
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Ensaios de cargas de vento
Projetado para ensaios estáticos e dinâmicos de modelos de construções civis, o túnel de vento do Laboratório de Aerodinâmica das Construções, da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, serve de base para a aplicação da NBR 6.123 - Forças Devidas ao Vento em Edificações.
O equipamento permite a simulação das mais importantes características de ventos naturais e suas cargas depressão e sucção sobre a fachada e a estrutura das edificações.
Com 21,38 metros de comprimento, o equipamento possui duas câmaras, que permitem a realização de ensaios em modelos reduzidos de edifícios, pontes, torres, além de diversos tipos de edificações e outros estudos.
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Ensaios de cargas de vento
 Áreas de estudo do LAC
efeitos estáticos e dinâmicos do vento em edificações;
efeitos do vento em estruturas especiais - pontes, torres, chaminés, linhas de transmissão, estruturas flexíveis;
impactos sobre o meio ambiente e estudos climáticos - poluição atmosférica, climatização e ventilação, agricultura, etc...
Modelo Edifício Brascan Century
Modelo reduzido do Sunset Residence
Brennand Plaza, no Recife
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Vídeos Apresentados no Seminário
http://www.youtube.com/watch?v=_Qp3GSUaWNw
http://www.youtube.com/watch?v=nOmr7X_1z2c
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Bibliografia
http://www.arcoweb.com.br/tecnologia/aerodinamica-das-construcoes-modelos-reduzidos-02-03-2006.html
http://pt.wikipedia.org/wiki/Modelo_f%C3%ADsico
http://www.lactec.org.br/pt/?page=departamentos&opcsection=154&opccat=161
http://www.ufrgs.br/iph01107/Aula_3.pdf
Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica – Estruturas hidráulicas
www.hidro.ufcg.edu.br
http://www.fcth.br/afcth/hidmaritima.htm
http://amt-ft.blogspot.com/
http://sociologiaehlegal.blogspot.com/2011/03/modelo-reduzido-de-belo-monte-e-montado.html
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