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FELIPE EUGENIO DE OLIVEIRA VAZ SAMPAIO Engenheiro Civil Analista do MPU/Perícia/Engenharia Civil Mestre em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos (UnB - PTARH) felsvaz@yahoo.com.br Hidráulica Canais Slides com conteúdos obtidos de Porto, Neves, Cirilo e Wanderley. Canais ou condutos livres Define-se como canais os condutos onde a superfície do líquido está sujeita à pressão atmosférica Por não haver um gradiente de pressão atuando sobre o fluido, o escoamento processa-se necessariamente por gravidade, em conjunto com as declividades do fundo do canal e da superfície da água Os canais podem ser naturais, como os rios, ou artificiais, como os canais de irrigação, as tubulações de esgotamento sanitário e pluvial etc. Podem ser considerados prismáticos, se mantiverem a mesma forma de seção transversal e declividade constante ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS Projeto Pontal CODEVASF Canais ou condutos livres Os canais artificiais podem ser construídos com diversas finalidades • Controle de níveis d’água • Retificação de um rio para o controle de cheias • Derivação para aproveitamento de recursos hídricos – Irrigação, abastecimento humano, hidrelétricas, canais de navegação • Proteção de margens em zonas de erosão Projetos de canais Deve ser prevista uma folga acima do nível d’água máximo de projeto, chamada de revanche, com vistas a permitir eventuais sobrelevações do nível d’água, sem que ocorra transbordamento Para canais com revestimento de concreto, devem ser previstos drenos nas paredes e no fundo, para evitar subpressões quando o nível do lençol freático estiver alto ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS Projetos de canais Em canais com revestimentos diferenciados para as paredes e o fundo, o coeficiente de rugosidade deve ser determinado por uma média ponderada dos coeficientes dos materiais componentes da calha O custo de um canal é proporcional ao seu tamanho e será mais econômico quando for menor a sua área de condução Como a velocidade está inversamente relacionada com a área, a maior economia de um canal obtém-se empregando-se as maiores velocidades Porém, para garantir a estabilidade do canal, a velocidade de escoamento deve ser fixada em função do material de revestimento das paredes e do fundo do canal ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS Projetos de canais Limites aconselháveis de velocidade para escoamentos em canais ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS Projetos de canais As formas mais comuns utilizadas nos projetos de canais são as trapezoidais, com taludes inclinados Limites aconselháveis de inclinação de taludes para canais trapezoidais, em função da natureza do material de revestimento ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS Elementos geométricos dos canais Para descrever a seção de escoamento de um canal, os principais elementos geométricos dos canais são • Área molhada (A): área da seção transversal ao fluxo • Perímetro molhado (P): comprimento de contato da água com as paredes e o fundo • Raio hidráulico (RH): relação entre a área molhada e o perímetro molhado RH = A/P ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS y B A p yM Elementos geométricos dos canais • Largura de topo ou da superfície (B): largura da seção tomada na superfície livre da água • Altura d’água ou tirante (y): distância vertical do fundo do canal à superfície livre da água • Altura média ou hidráulica (yM): relação entre a área molhada e a largura de topo yM = A/B ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS y B A p yM Elementos geométricos dos canais • Altura de escoamento (h): altura da água medida perpendicularmente ao fundo do canal • Declividade de fundo (I0): declividade do fundo do canal • Declividade da linha d’água (IA): corresponde à declividade da linha piezométrica • Declividade da linha de energia (IF): variação da energia do escoamento no sentido do escoamento ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS I0 IA IF y h Tipos de escoamento nos canais Situações típicas dos escoamentos permanentes • Os escoamentos permanentes normalmente são utilizados para o cálculo de canais, vertedores, galerias, bueiros etc. ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS Gradualmente Variado Rapidamente Variado Rapidamente Variado Uniforme Gradualmente Variado Remanso Ressalto Uniforme Escoamento permanente uniforme Tipo de escoamento em que as características hidráulicas e geométricas do escoamento mantém-se constantes no tempo e ao longo do canal Como o canal é prismático → A1 = A2 y1 = y2 Q1 = Q2 v1 = v2 v1²/2g = v2²/2g ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS v1²/2g Plano de referência z1 z2 y2 v2²/2g H = H1 – H2 Q y1 Escoamento permanente uniforme É o resultado do equilíbrio entre a força gravitacional e a força de atrito, que se opõe ao movimento do fluido A declividade da linha de energia é igual à declividade de fundo do canal • Como a altura permanece constante, a declividade da linha d’água também é igual à declividade do fundo do canal ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS v1²/2g Plano de referência z1 z2 y2 v2²/2g H = H1 – H2 Q y1 Escoamento permanente uniforme A maior parte dos canais artificiais são calculados considerando este tipo de escoamento Para a ocorrência deste tipo de escoamento, o canal deve ser prismático e suficientemente longo • Normalmente, na entrada do canal, o escoamento ocorre em condições variáveis de geometria e velocidade • O fluido percorre o canal movido pela força gravitacional, sofrendo influência da força de atrito • À medida que o escoamento desenvolve-se, ocorre o equilíbrio destas forças e o escoamento sempre tende para o escoamento permanente – Isto independe de como inicia-se o escoamento no canal O escoamento uniforme é conhecido como escoamento normal e a altura d’água em que se desenvolve é denominada altura normal ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS Escoamento permanente uniforme O escoamento uniforme é determinado pela equação de Chézy V = C·(RH·IE) 1/2 Q = C·A·(RH·IE) 1/2 • Para o escoamento uniforme, a declividade da linha de energia IE é igual à declividade do fundo do canal I0 Manning verificou que C = RH 1/6/n Substituindo C na equação de Chézy, temos então a equação de Manning V = (1/n)·RH 2/3·I0 1/2 Q = (A/n)·RH 2/3·I0 1/2 O valor de n é denominado coeficiente de rugosidade de Manning e depende da natureza do material de revestimento dos canais ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS Escoamento permanente uniforme Valores de n para alguns materiais ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS Escoamento permanente uniforme Canais construídos com mais de um tipo de material: ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS n = i=1 m Pi ∙ ni 3 2 P 2 3 Seção de máxima eficiência • Para o projeto de canais, quanto maior a área de escoamento maior será o custo do projeto • Porém, quanto menor a área de escoamento maior será a velocidade, o que pode proporcionar problemas estruturais nos taludes • Normalmente, a declividade e o tipo de material (rugosidade das paredes) são estabelecidos, não permitindo variações significativas • Para conduzir água com a máxima eficiência, é necessário determinar a forma do canal que promova o escoamento com a maior área e com o menor perímetro molhado possíveis – Isso produz o menor atrito para uma maior vazão • A figura geométrica com esta propriedade é o semi-círculo – Porém, a execução de seções com esta forma nem sempre é economicamente viável • Outras seções de máxima eficiência – Retangulares – meio quadrado – Trapezoidais – meio hexágono ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS Exemplo Um canal foi construído com paredes de concreto liso, com seção transversal emformato trapezoidal, com base igual a 5,0 m e talude das margens 1:2 (v:h). Sabendo-se que a profundidade normal do escoamento no canal é de 3,0 m e a declividade do fundo do canal é 0,45 m/km, calcular a velocidade média do escoamento permanente. Pela tabela, o coeficiente de Manning para concreto com acabamento é n = 0,012. A área de escoamento é A = (5,0 + 17,0)·3,0/2 = 33,0 m² O perímetro molhado é P = 5,0 + 2·(6,0² + 3,0²)1/2 = 18,42 m Assim, o raio hidráulico é RH = A/P = 33,0/18,42 = 1,79 m A velocidade do escoamento então é v = (1/n)·RH 2/3·I0 1/2 = (1/0,012)·1,792/3·0,000451/2 v = 2,61 m/s Podemos calcular a vazão Q = v·A = 2,61·33,0 Q = 86,13 m³/s ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS 5,0 m 6,0 m6,0 m 3,0 m Exemplo Para o mesmo canal anterior, qual será a profundidade normal do escoamento se a vazão do escoamento permanente for de 52,3 m³/s. Como não temos a altura do escoamento, a área e o perímetro molhados ficam em função do seu valor. A área de escoamento é A = (5,0 + 5,0 + 2·[2·y])·y/2 O perímetro molhado é P = 5,0 + 2·((2·y)² + y²)1/2 A vazão pode ser escrita como Q = (A/n)·RH 2/3·I0 1/2 = (1/n)·(A5/3/P2/3)·I0 1/2 52,3 = (1/0,012)·([(10,0+2·[2·y])·y/2 ]5/3 / [5,0+2·((2·y)²+y²)1/2]2/3)·0,000451/2 Esta equação não pode ser resolvida explicitamente para y. Por isso, usa-se o cálculo iterativo, de onde se obtém y = 2,35 m ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS 5,0 m 6,0 m6,0 m 3,0 m Energia no escoamento permanente • Equação de Bernoulli H = p/ + z + v²/2g = y + z + v²/2g – Na maioria dos casos práticos, o termo p/ é igual ao tirante y • Entre duas seções do escoamento ocorre perda de carga por conta do atrito do fluido com as paredes do canal, da turbulência etc. H1-2 = H1 – H2 ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS v1²/2g Plano de referência z1 z2 p2/ = y2 v2²/2g H1-2 = H1 – H2 Qp1/ = y1 Energia específica • Se o plano de referência for tomado no fundo do canal, a energia do fluido é denominada energia específica E1 = E2 + E1-2 y1 + v1²/2g = y2 + v2²/2g – A energia específica é a distância entre o fundo do canal e a linha de energia ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS v1²/2g E1 E2 p2/ = y2 v2²/2g H = H1 – H2 Qp1/ = y1 Energia específica • Sabemos que Q = v·A v = Q/A • A área pode ser expressa como uma função da altura de escoamento A = (y) • Com isso, a equação da energia específica para uma seção qualquer pode ser reescrita como E = y + v²/2g = y + Q²/2gA² E = y + Q²/2g(y)² E’ = y e E’’ = Q²/2g(y)² ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS E’ = y E y E’’ = Q²/2g(y)² E y E EMIN yC Energia específica • Podemos verificar que, para uma mesma vazão, existem três possíveis regimes de escoamento – O escoamento desenvolve-se com grandes profundidades e pequenas velocidades → escoamento subcrítico – O escoamento desenvolve-se com pequenas profundidades e grandes velocidades → escoamento supercrítico – O escoamento desenvolve-se com a menor energia específica possível → escoamento crítico ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS E’ = y E y E’’ = Q²/2g(y)² E y E EMIN yC Energia específica • O escoamento subcrítico é também conhecido como escoamento fluvial ou tranquilo ou superior • O escoamento supercrítico é também conhecido como escoamento torrencial ou rápido ou inferior • Como a vazão é a mesma, o que vai definir o regime de escoamento é a geometria do canal, principalmente a sua declividade de fundo • Cada canal tem uma altura crítica associada, mesmo que o escoamento normal não se desenvolva nesta altura ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS E’ = y E y E’’ = Q²/2g(y)² E y E EMIN yC Energia específica • O número adimensional que caracteriza o tipo de regime de escoamento é o número de Froude Fr = v/(g·yM) 1/2 – Fr < 1 escoamento subcrítico y > yC – Fr = 1 escoamento crítico y = yC – Fr > 1 escoamento supercrítico y < yC • O número de Froude é uma relação entre a força de inércia e a força peso do fluido • Podemos ver também, pelo gráficos de energia específica, que para cada valor de E podem ser desenvolvidos os regimes supercrítico e subcrítico – As alturas associadas a cada valor de E são denominadas alturas recíprocas ou conjugadas y1 e y2 ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS E y E y1 y2 Energia específica – altura e declividade críticas • O escoamento crítico é aquele que se desenvolve com a menor energia específica • Neste caso, o número de Froude é igual à unidade Fr = vC/(g·yC) 1/2 = 1 de onde pode-se obter a altura crítica yC yC = g·vC² • Sabendo que yC é a altura média do escoamento crítico, a velocidade vC pode ser expressa por vC = Q/AC = Q/(B·yC) = q/yC (q = Q/B) • Substituindo, obtém-se yC = (q²/g)¹ /³ • Para que o escoamento ocorra normalmente nesta profundidade, é necessário que o canal tenha uma declividade crítica IC – Esta declividade pode ser obtida pelas equações de resistência ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS Energia no escoamento permanente – Equação de Bernoulli Exemplo Um canal retangular de 3,0 m de largura tem um pequeno barramento para controle da vazão. Considerando a ocorrência da situação da figura e desconsiderando as perdas de carga, determinar a vazão escoada. Para determinar a vazão, pode-se aplicar a equação de Bernoulli. y1 + z1 + v1²/2g = y2 + z2 + v2²/2g + H Selecionando o nível de referência no fundo do canal y1 + z1 = 1,5 m e y2 + z2 = 0,35 m Considerando v = Q/A = Q/(B·y), a equação de Bernoulli fica y1 + z1 + Q²/(2g·(B·y1)²) = y2 + z2 + Q²/(2g·(B·y2)²) + H 1,5 + Q²/(2g·(3,0·1,5)²) = 0,35 + Q²/(2g·(3,0·0,35)²) + 0 de onde se obtém Q = 5,235 m³/s ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS 1,5 m 0,35 m Energia específica Exemplo Um canal retangular de 3,0 m de largura conduz água a uma vazão de 1,5 m³/s, com uma altura de 0,75 m. Defina o regime de escoamento. Para definir o regime de escoamento, necessitamos conhecer o número de Froude. Fr = v/(g·yM) 1/2 = Q/A·(g·yM) 1/2 = Q/B·yM·(g·yM) 1/2 Num canal retangular, yM = y. Daí, Fr = 1,5/3,0·0,75·(9,81·0,75)1/2 = 0,18 escoamento subcrítico Observe que a velocidade de escoamento é v = Q/A = Q/B·yM = 1,5/3,0·0,75 = 0,667 m/s valor que pode ser considerado baixo, mas que não define sozinho o tipo de regime. ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS 0,75 m 3,0 m Q = 1,5 m³/s Energia específica Exemplo Para o canal anterior, determinar a altura crítica para a mesma vazão. A altura crítica pode ser calculada por yC = (q²/g)¹ /³ A vazão por unidade de largura é q = Q/B = 1,5/3,0 = 0,5 m³/s/m Daí, yC = (0,5²/9,81)¹ /³ = 0,29 m Observe que para determinar a altura crítica para um escoamento, não há necessidade de se conhecer a declividade crítica ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS 0,75 m 3,0 m Q = 1,5 m³/s Escoamento permanente gradualmente variado Tipo de escoamento em que há variações graduais das características geométricas e da velocidade de escoamento ao longo do canal • A vazão e as características geométricas do escoamento são consideradas constantes ao longo do tempo ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS v1²/2g Plano de referência z1 z2 p2/ = y2 v2²/2g H1-2 = H1 – H2 Qp1/ = y1 Escoamento permanente gradualmente variado Como há variação das características geométricas e, consequentemente, da velocidade de escoamento, as declividades das linhas de energia, da superfície d’água e do fundo do canal diferem ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS v1²/2g Plano de referência z1 z2 p2/ = y2 v2²/2g H1-2 = H1 – H2 Qp1/ = y1 Escoamento permanente gradualmente variado Este tipode escoamento ocorre quando há algum tipo de interferência no escoamento • Barramentos, mudanças na forma geométrica do canal, mudanças na declividade do canal etc. Quando a interferência ocorre a jusante do escoamento, a linha d’água ajusta-se gradualmente às novas condições do escoamento Quando o escoamento ultrapassa a intervenção, a linha d’água tende a ajustar-se ao escoamento normal O escoamento normal está sempre associado a uma declividade e a um regime de escoamento • Regime subcrítico → altura subcrítica → declividade subcrítica • Regime crítico → altura crítica → declividade crítica • Regime supercrítico → altura supercrítica → declividade supercrítica ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS Escoamento permanente gradualmente variado Essa variação gradual do perfil da linha d’agua é denominada remanso • É muito observada em reservatórios, onde ocorre um aumento da área inundada na entrada do reservatório ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS Superfície horizontal do reservatório esperada Remanso do reservatório Remanso Escoamento permanente gradualmente variado Pode ocorrer de diversas formas, dependendo exclusivamente da condição do escoamento em relação à sua altura crítica e à sua altura normal O cálculo das linhas de remanso em rios com poucas singularidades e em canais prismáticos é realizado, em geral, com a resolução da equação da energia entre duas seções, sendo uma delas de características conhecidas ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS Declividade Profundidade Normal Descrição Curvas Tipo Quantidade I0 < IC y0 > yC Declividade fraca (mild slope) M 3 curvas I0 > IC y0 < yC Declividade forte (steep slope) S 3 curvas I0 = IC y0 = yC Declividade Crítica C 2 curvas I0 = 0 Declividade nula (horizontal) H 2 curvas I0 < 0 - Declividade negativa (aclive) A 2 curvas Escoamento permanente gradualmente variado Curvas do tipo M – declividade fraca I0 < IC ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS Zona Curva Profundidade Escoamento Tipo de Remanso M1 y > y0 > yC Subcrítico Elevação M2 y0 > y > yC Subcrítico Depressão M3 y0 > yC > y Supercrítico Elevação 1 2 3 M11 2 3 yC M1 M2 M3 I0 < IC y0 Ocorre a montante de reservatórios Ocorre a montante de cachoeiras ou quedas livres Ocorre a jusante de comportas de fundo Escoamento permanente gradualmente variado Curvas do tipo S – declividade forte I0 > IC ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS Ocorre a montante de reservatórios Ocorre a montante de mudanças de declividades Ocorre a jusante de comportas de fundo y0 1 2 3 yC I0 > IC Zona Curva Profundidade Escoamento Tipo de Remanso S1 y > yC > y0 Subcrítico Elevação S2 yC > y > y0 Subcrítico Depressão S3 yC > y0 > y Supercrítico Elevação 1 2 3 Escoamento permanente gradualmente variado Curvas do tipo C – declividade crítica I0 = IC ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS Ocorre a montante de reservatórios Ocorre a jusante de comportas de fundo Zona Curva Profundidade Escoamento Tipo de Remanso C1 y > y0 = yC Subcrítico Elevação - - - - C3 y0 = yC > y Supercrítico Elevação 1 2 3 3 yC y0 C1 C3 I0 = IC 1 Escoamento permanente gradualmente variado Curvas do tipo H – declividade nula I0 = 0 ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS Ocorre a montante de mudanças de declividades ou quedas livres Ocorre a jusante de comportas de fundo Zona Curva Profundidade Escoamento Tipo de Remanso - - - - H2 y > yC Subcrítico Depressão H3 yC > y Supercrítico Elevação 1 2 3 2 3 yC H2 H3 I0 = 0 y0 Escoamento permanente gradualmente variado Curvas do tipo A – declividade adversa I0 < 0 ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS Zona Curva Profundidade Escoamento Tipo de Remanso - - - - A2 y > yC Subcrítico Depressão A3 yC > y Supercrítico Elevação 1 2 3 yC 2 3 I0 < 0 y0 Escoamento permanente rapidamente variado Tipo de escoamento em que há variações bruscas das características geométricas e da velocidade de escoamento ao longo de um pequeno trecho do canal Com estas variações bruscas, ocorre uma forte turbulência no escoamento, o que provoca uma significativa perda de energia • Esta perda normalmente se traduz em diminuição da velocidade de escoamento, com consequente aumento da altura d’água Estes fenômenos podem ocorrer naturalmente nos canais ou serem projetados com finalidades específicas O principal tipo de escoamento rapidamente variado é conhecido como ressalto hidráulico • As principais aplicações práticas dos ressaltos são para a dissipação de energia do escoamento a jusante de obras hidráulicas, com o objetivo de reduzir as velocidades do escoamento e reduzir os seus efeitos erosivos ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS Escoamento permanente rapidamente variado Ressalto hidráulico • Ocorre quando o escoamento passa de um regime supercrítico para um regime subcrítico • Nesta mudança de regime, ocorre perda de energia do escoamento E = E1 – E2 ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS E y E2 y2 y1 E1 Para canais retangulares: 𝑦2 = 𝑦1 2 ∙ 1 + 8 ∙ 𝐹1 2 − 1 𝐹1 = 𝑉1 𝑔 ∙ 𝑦1 ∆𝐸 = 𝑦2 − 𝑦1 3 4 ∙ 𝑦2 ∙ 𝑦1 Escoamento permanente variado Exemplos de análise qualitativa do escoamento permanente variado ESCOAMENTO EM RIOS E CANAIS I0 < IC I0 > IC y0 y0 Curva M2 Curva S2 yC y0 I0 < IC y0 Curva M1 Curva M3 Curva M2 ANA 2006 – Especialista (CESPE) Acerca da hidrologia, julgue os itens a seguir: (77) Considere a seguinte situação hipotética. Depois de medir a velocidade média e determinar a geometria da seção molhada de um rio, um analista constatou que o número de Froude (F) era igual a 0,85 e o número de Reynolds (Re) era igual a 4.500. Nessa situação, o regime de escoamento é considerado supercrítico e turbulento QUESTÃO DE PROVA E DNOCS 2010 – Engenheiro Área 1 (FCC) Questão 60 A curva de remanso é o desenvolvimento da superfície da água (A) em qualquer escoamento. (B) de um escoamento rapidamente variado. (C) de um escoamento uniforme. (D) de um ressalto hidráulico. (E) de um escoamento gradualmente variado. QUESTÃO DE PROVA X Um canal retangular de 5 m de largura y = 1 m transporte uma vazão de 14 m³/s em regime permanente e uniforme. O coeficiente de rugosidade é n = 0,022. Quanto se teria de aprofundar o canal, conservando a largura e as demais condições do canal, para aumentar a capacidade de vazão para 17,5 m³/s? QUESTÃO DE PROVA
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