Canais Hidráulicos1

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CENTRO UNIVERSITÁRIO DO VALE DO IPOJUCA 
CURSO SUPERIOR EM ENGENHARIA CIVIL 
JAIRO EUGÊNIO DA SILVA JUNIOR
VANDIELSON TENÓRIO FEITOSA DE ASSIS
 CANAIS HIDRÁULICOS 
CARUARU-PE
2018
JAIRO EUGÊNIO DA SILVA JUNIOR
VANDIELSON TENÓRIO FEITTODA DE ASSIS 
CANAIS HIDRÁULICOS 
TRABALHO APRESENTADO COMO REQUISITO PARCIAL PARA APROVAÇÃO NA DISCIPLINA HIDRÁULICA APLICADA DO CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DO CENTRO UNIVERSITÁRIO DO VALE DO IPOJUCA.
PROFESSOR: JONAS RODRIGUES
CARUARU-PE
2018
	
1 Introdução
Denominam-se canais como condutos onde o escoamento é caracterizado por apresentar uma superfície livre na qual reina a pressão atmosférica. Estes escoamentos tem um grande número de aplicações práticas na engenharia, estando presente em áreas como o saneamento, a drenagem urbana, irrigação, hidroeletricidade, navegação e conservação do meio ambiente. Neste contexto, os cursos d’água naturais constituem o melhor exemplo de condutos livres. Além dos rios, funcionam como condutos livres os canais artificiais de irrigação e drenagem, os aquedutos abertos, e de um modo geral, as canalizações onde o líquido não preenche totalmente a seção do canal. 
Os escoamentos em condutos livres diferem dos que ocorrem em condutos forçados ou sob pressão porque o gradiente de pressão não é relevante. No escoamento em condutos livres a distribuição de pressão pode ser considerada como hidrostática e o agente que proporciona o escoamento é a gravidade. Apesar da hipotética semelhança nos escoamentos livres e sob pressão, os livres são mais complexos e com resolução mais sofisticada pois as variáveis são interdependentes com variação no tempo e espaço.
Uma importante característica da hidráulica dos canais além da superfície livre, é a deformidade desta. Nos condutos livres, ao contrário do que ocorre nos forçados, a veia líquida tem liberdade de se modificar para que seja mantido o equilíbrio dinâmico. Dessa forma a deformidade da superfície livre dá origem a fenômenos desconhecidos nos condutos forçados, como o ressalto hidráulico, o remanso etc...
2 Forma dos canais
Os canais são projetados usualmente em uma das quatro formas geométricas seguintes: Retangular, trapezoidal, triangular e semicircular, sendo a forma trapezoidal a mais utilizada (Figura 1).
Figura 1 – Canal triangular (a), retangular (b), trapezoidal (c) e semicircular, respectivamente.
 
3 Parâmetros característicos da seção de um canal
No caso de secções simples e regulares, os elementos hidráulicos são expressos e relacionados entre si matematicamente em função da altura de água no canal. No entanto, no caso de secções mais complexas e não uniformes como são os canais naturais, não há uma equação simples que possa correlacioná-los, uma vez que são variáveis. Os principais elementos geométricos são: 
I. Altura de água ou profundidade de escoamento (h): distância vertical entre a superfície livre e a base do canal. Na prática, é comum desprezar o efeito da declividade no canal (I) sobre a medida de (h), em função do cosseno do ângulo, por ser um erro muito pequeno. 
II. Área molhada (AM): área da secção transversal ocupada pela água. 
III. Perímetro molhado (PM): comprimento da linha de contato entre a água e as paredes e o fundo do canal. 
IV. Raio hidráulico (Rh): resultado da divisão da área molhada pelo perímetro molhado. 
V. Inclinação dos taludes (): Projeção horizontal/projeção vertical.
VI. Declividade do canal (I): referente ao fundo do canal e igual à tangente do ângulo. 
VII. Coeficiente de rugosidade (n): fornecido em tabelas, sendo função da natureza das paredes.
Na Figura 2 a seguir são ilustrados alguns destes elementos geométricos para um canal de seção trapezoidal. 
Figura 2 – Elementos geométricos de um canal
4 Raio Hidráulico
O raio hidráulico é um parâmetro importante no dimensionamento de canais, dutos, tubos e outros componentes das obras hidráulicas. É comumente usado para se estimar o raio de tubos e canais com secção transversal não circular.
RH = A/P{\displaystyle \ R_{H}={\frac {A}{P}}}
Onde A é a área da seção transversal molhada e P o perímetro molhado.
Para um tubo de área circular:
RH = A/C
{\displaystyle \ R_{H}={\frac {A}{C}}}
Onde C é a circunferência, então para um tubo de seção circular, totalmente cheia:
RH = (pi.R^2)/2piR = R/2
{\displaystyle R_{H}={\frac {\pi R^{2}}{2\pi R}}=R/2}
5 Tipos de canais e seções
5.1 Canais 
Os condutos livres estão sujeitos à pressão da atmosférica, pelo menos em um ponto da sua seção do escoamento. Eles também são denominados canais e normalmente apresentam uma superfície livre de água, em contato com a atmosfera. 
5.1.1 Os canais escavados em terra normalmente apresentam uma seção trapezoidal que se aproxima tanto quanto possível de forma semi-hexagonal. 
5.1.2 Os canais abertos em rochas são, aproximadamente, de forma retangular, com largura igual a cerca de duas vezes a altura.
5.2 Seções
Na Figura 3 estão representadas as seções de máxima eficiência hidráulica.
Figura 3 - seções de máxima eficiência hidráulica.
6 Como se calcula os parâmetros 
6.1 O Método de Kazemipour ajustado 
A utilização do método de Kazemipour para cálculo do escamento em canais circulares.
O primeiro parâmetro de forma do método de Kazemipour, ψ1, pode ser calculado a partir dos dados da geometria do escoamento. A equação apresenta a expressão de cálculo deste parâmetro. 
 ψ1 = (P/D)1/2 
Donde P é o perímetro molhado do escoamento e D o diâmetro interno do canal.
O segundo parâmetro de forma do método de Kazemipour, ψ2, função do diâmetro interno do canal, D, e da profundidade efetiva do escoamento, yD, pode ser calculado através da Eq. (3), obtida por Goldfarb (2002) de acordo com o procedimento desenvolvido por Silva & Figueiredo (1993). 
ψ2 = 1,864exp{0,084[ln(D/yD) 2] – 0,589[ln(D/yD)]} 
De posse do parâmetro de forma ψ, o fator de atrito foi determinado para escoamento uniforme em canais de seção circular, utilizando-se as equações do coeficiente de atrito para tubos pressurizados, conforme metodologia apresentada por Kazemipour & Apelt (1980). A Eq. 4 apresenta a expressão para o fator de atrito para canais. 
fc = ψ.f 
Em que f é o coeficiente de atrito para tubulações pressurizadas e fc é o coeficiente de atrito para canais de seção circular. Uma vez determinado o coeficiente de atrito fc para escoamento uniforme em canais, a velocidade média do escoamento foi finalmente determinada utilizando-se a Eq. 5, derivada da equação racional para cálculo do escoamento em tubulações pressurizadas.
 
V = raiz 8gRS/fc
Sendo V a velocidade média do escoamento no canal, g a aceleração da gravidade, R o raio hidráulico, S a declividade do fundo do canal, e fc o fator de atrito para canais lisos.
6.2 O raio hidráulico é calculado:
RH = A/P{\displaystyle \ R_{H}={\frac {A}{P}}}
Onde A é a área da seção transversal molhada e P o perímetro molhado.