Hidráulica de Condutos Livres

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CANAIS
Curso de Engenharia Civil – Bacharelado
Obras Hidráulicas - CCE1036
Prof. Esp. Glauber de Sousa Alves
São Luís - 2019
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LARA, Batista. Fundamentos de Engenharia Hidráulica. Disponível em: http://paginapessoal.utfpr.edu.br/fandrade/teaching/files/batistalara2010.pdf. Acesso em 15.07.2019. 
HOUGHTALEN, R.J. Engenharia Hidráulica. Disponível em: https://www.academia.edu/30225468/ENGENHARIA_HIDRAULICA_-_R._J._Houghtalen_4a_ED. Acesso em 10/07/2019
NETO, Azevedo. Manual de hidráulica. 8ª Ed. São Paulo. 1998, 669p.
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BIBLIOGRAFIA
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Características básicas dos escoamentos livres
Curso de Engenharia Civil – Bacharelado
Obras Hidráulicas - CCE1036
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Os escoamentos livres são caracterizados pela presença da superfície em contato com a atmosfera, dessa forma submetida a pressão atmosférica;
Ao contrário dos condutos forçados, nos escoamentos livres as condições de contorno podem ser variávieis no tempo e no espaço;
Apesar das diferenças em geral, os princípios básicos que norteiam os conditos livres são essencialmente os mesmo dos condutos forçados.
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ESCOAMENTOS LIVRES
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Equações fundamentais da Hidráulica de Condutos Livres:
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ESCOAMENTOS LIVRES
Equação da Continuidade
Conservação da Massa
Teorema de Euler
Conservação da Quantidade de Movimento
Equação da Continuidade
Conservação da Massa
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Parâmetros geométricos e hidráulicos característicos:
Condições de contorno variáveis		Geometria da seção!
Parâmetros mais relevantes descritos abaixo. 
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ESCOAMENTOS LIVRES
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ESCOAMENTOS LIVRES
Para elementos de forma geométrica definida, podemos desenvolver expressões de cálculo em função da profundidade da água, resultando em características geométricas fundamentais das seções mais comumente utilizadas na hidráulica dos canais abertos.
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ESCOAMENTOS LIVRES
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SEÇÕES MAIS COMUNS PARA DIMENSIONAMENTO
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Variação da pressão dos condutos
Condutos forçados 	pressão constante em todos os seus 						pontos.
Condutos livres		não despreza a diferença de pressões 					entre o fundo e a superfície.
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LEI DE STEVIN – Escoamento Uniforme
ESCOAMENTOS LIVRES
Em escoamentos bruscamente variados, quando existe uma curvatura expressiva na corrente vertical, podemos caracterizar o escoamento como sendo do tipo Escoamento Curvilíneo, com alteração hidrostática das pressões.
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ESCOAMENTOS LIVRES
Convexo
Côncavo
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ESCOAMENTOS LIVRES
Outro aspecto a ser considerado é a declividade em relação à distribuição das pressões
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ESCOAMENTOS LIVRES
Obs¹: As observações na crista do vertedor podem levar a observar efeitos de cavitação, o que pode provocar danos à estrutura. 
Obs²: Elevados valores de pressão podem ser observados no pé do vertedor, também gerando desgastes estruturais.
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ESCOAMENTOS LIVRES
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ESCOAMENTOS LIVRES
Variação de velocidade:
Contatos da superfície líquido-parede e líquido-ar geram distribuições não uniformes de velocidade no decorrer do curso d’água;
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ESCOAMENTOS LIVRES
No perfil vertical, o perfil de distribuição das velocidades é aproximadamente logarítimico, variando do que pode ser considerado um valor nulo (fundo) até um valor máximo logo abaixo da superfície, entre 5% e 25% de profundidade.
O valor da velocidade média U corresponde à média aritmética das velocidades medidas entre 20% e 80% da profundidade, aproximadamente igual a 60%.
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ESCOAMENTOS LIVRES
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Entende-se a complexidade da distribuição das velocidades de uma seção. 
Dessa forma, para evitar irregularidades da distribuição das velocidades nas seções sem uma abordagem complexa, podemos trabalhar com as velocidades médias das equações de Bernoulli e Euler.
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ESCOAMENTOS LIVRES
A determinação das velocidades em uma secção só é possível através de medições diretas, com o uso de aparelhos denominados molinetes, associando a rotação da hélice a velocidade de escoamento.
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ESCOAMENTOS LIVRES
Essencialmente determina-se a velocidade em diversos pontos em uma vertical. A velocidade média e a vazão podem ser expressas da seguinte forma:
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ESCOAMENTOS LIVRES
Ainda, a partir de medições de velocidades nas seções pode-se também calcular “α” “β” pelas expressões abaixo:
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ESCOAMENTOS LIVRES
Supondo que uma distribuição das velocidades na vertical, os coeficientes podem ser expressos da seguinte forma.
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ESCOAMENTOS LIVRES
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Estruturas hidráulicas de condução - Canais
Unidade 01.1
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Os recursos hídricos, vitais na sociedade atual, só se tornaram úteis para o ser humano depois que passaram a ser adequadamente controlados. 
São alguns tipos de estruturas mais comuns na Engenharia Hidráulica:
Estruturas para armazenamento e contenção de água: barragens e diques;
Estruturas para transporte e adução de água, bem como para a compatibilização com outras obras de infraestrutura: canais bueiros e pontes;
Estruturas para controle de água: vertedores e dissipadores de energia.
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Estruturas hidráulicas de condução 
Os canais são estruturas hidráulicas que possuem os seguintes objetivos básicos:
Condução das águas de forma a compatibilizar as necessidades com os volumes disponíveis, no tempo e no espaço;
Possibilitar e favorecer a navegação.
Podem ser utilizados para consumo humano e industrial, condução das águas usadas, irrigação agrícola, drenagem das águas excedentes, etc.
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CONDUÇÃO: Canais
O objetivo secundário da condução da água pode ser a implantação de hidrovias. Qualquer que seja seu objetivo, o dimensionamento é feito através dos mesmos processos, mas de acordo com a característica da superfície de contato da água.
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CONDUÇÃO: Canais
Caracterização do escoamento uniforme:
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CONDUÇÃO: Canais
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CONDUÇÃO: Canais
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Dimensionamento considerando a máxima eficiência hidráulica:
Considerando a estabilidade do canal;
Necessidade de seção adequada para transporte de vazão de projeto;
Otimização de seção transversal para transporte da vazão de projeto;
Minimização da área a ser revestida; otimização da escavação.
 
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CONDUÇÃO: Canais
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Como o conceito de raio hidráulico envolve a divisão da área molhada pelo perímetro molhado, a seção de mesma área molhada e menor perímetro molhado será considerada a melhor seção hidráulica, ou seja, a seção mais eficiente.
Por uma questão geométrica, o semicírculo possui o menor perímetro para uma determinada área e é a seção mais eficiente hidraulicamente comparada às demais seções.
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CONDUÇÃO: Canais
Ao otimizar a altura de lâmina-d’água em sua plenitude, fazemos com que suas bordas sejam curvas nas margens, o que torna cara sua execução e dificulta sua manutenção.
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CONDUÇÃO: Canais
O conceito de seções hidraulicamente eficientes está submetido ao alinhamento do canal com os materiais utilizados no revestimento do mesmo, ou seja, a utilização de materiais erodíveis e não estabilizados, inviabiliza o conceito, pois implica no coeficiente de rugosidade, n.
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CONDUÇÃO: Canais
A seção mais usual em canais artificiais é o trapezoidal em meio hexágono, que pode ser inscrito em um semicírculo com seu centro na superfície livre da água. Mas essa condição depende do alcance do nível da água no topo da seção (borda livre do canal).
Energia e controle hidráulico:
Para o cálculo dos regimes de escoamento dos canais, é necessária a noção de controle hidráulico;
A energia correspondente a uma seção transversal é definida pela soma de três cargas: Cinética, Altimétrica e Piezométrica.
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CONDUÇÃO: Canais
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CONDUÇÃO: Canais
Para um dado valor de energia, existem dois valores de profundidade:
 Se mantivermos a mesma seção de água e mudarmos apenas a vazão, curvas semelhantes à curva ABC podem ser traçadas. Se a vazão aumenta (Q+ΔQ), a curva se move para a direita (sobe) e se a vazão diminui (Q-ΔQ), a curva se move para a esquerda (desce).
O ponto C da curva representa a profundidade na qual avazão (Q) pode ser distribuída por meio da seção de água com energia específica mínima. Essa profundidade y é conhecida como profundidade crítica yc para a descarga Q da seção, e o fluxo nessa seção é dito como fluxo crítico.
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CONDUÇÃO: Canais
Em geral, uma família de curvas poderia ser gerada através dos valores de descarga de uma determinada seção;
Para descargas mais altas, a curva se move para a direita (A’C’B’) e para descargas mais baixas, a curva se move para a esquerda (A”B”C”).
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CONDUÇÃO: Canais
Variação do escoamento em canais:
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CONDUÇÃO: Canais
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Característica dos regimes de escoamento quanto à energia:
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CONDUÇÃO: Canais
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CONDUÇÃO: Canais
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CONDUÇÃO: Canais
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Saltos hidráulicos:
Nos canais abertos, principalmente em estruturas artificiais, como as bacias de dissipação de energia, podem ocorrer os saltos hidráulicos; 
Resultante de uma redução abrupta na velocidade do fluxo, mediante aumento repentino na profundidade da água. 
Como a maioria das bacias de dissipação são retangulares, iremos focar a resolução de situações voltadas a essa geometria.
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CONDUÇÃO: Canais
Os saltos hidráulicos convertem um fluxo supercrítico para um fluxo subcrítico;
Na região do salto hidráulico, é comum observar a superfície da água e a região de turbulência características, acompanhados de uma perda de energia ao longo do salto.
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Uma profundidade supercrítica de baixo estágio (y1) transforma-se em uma profundidade supercrítica de alto estágio (y2).
CONDUÇÃO: Canais
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Equação da conservação da quantidade de movimento:
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Energia dissipada (perda de altura de energia no salto):
Comprimento do ressalto hidráulico:
Estudo experimental (USBR):
A definição da localização do ressalto hidráulico é muito importante, visto a necessidade de proteção da região de ocorrência, em função da dissipação de energia no local.
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CONDUÇÃO: Canais
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Remanso hidráulico: elevação de água a montante.
Característica do Movimento Gradualmente Variado;
Rios;
Sistemas de drenagem pluvial;
Esgotos.
Muito utilizado em adição de produtos químicos para tratamento de águas.
As características do fluxo variam de forma lenta e gradual.
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CONDUÇÃO: Canais
O movimento uniforme em um curso d’água caracteriza-se por uma seção de escoamento e declividade constantes;
Caso executemos uma barragem, por exemplo, essa condição se desfaz. A barragem causará uma sobre-elevação das águas, influenciando o nível da água a uma grande distância a montante.
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CONDUÇÃO: Canais
Na prática, a forma mais simples de determinação do traçado da curva de remanso é através do “método dos engenheiros do Sena”
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CONDUÇÃO: Canais 
Nesta solução, dá-se a “L” uma série de valores equidistantes de 100m, por exemplo, determinando assim os valores de z que permitem traçar a curva;
Ainda, variando z de 10 em 10cm e calculando-se as distâncias de “L” correspondentes;
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CONDUÇÃO: Canais
Para pequenas declividades, podemos tornar EF por GF;
Triângulo GEF, temos que:
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CONDUÇÃO: Canais
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