Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Disciplina: Obras Hidráulicas Aula 2: Dimensionamento hidráulico Apresentação “O exato momento em que rio seco volta à vida após as chuvas”. Assim é descrito o momento que mostra o leito seco de um rio na Inglaterra preenchido por uma corrente de água após fortes chuvas. Apesar do encanto sobre o reavivamento do rio, precisamos nos questionar sobre os impactos deste fenômeno em nosso dia a dia e como afeta a vida de uma cidade após uma grande chuva. Será que ainda haveria encanto se esta situação ocorresse em maiores proporções em um canal de drenagem urbana após uma chuva intensa? Objetivos Descrever os tipos de escoamento em canais; Discutir os aspectos ligados ao projeto e dimensionamento hidráulico de canais abertos e galerias; Examinar a eficiência das seções hidráulicas. Fluxo de água É comum nos perguntarmos sobre a capacidade de transporte de água dos canais naturais ou artificiais. Essa dúvida é corrente, pois ao observarmos o fluxo de água nos canais a céu aberto percebemos que, dependendo da época do ano, o nível da água estará mais alto ou mais baixo. Rio seco volta à vida após chuva (Fonte: Youtube <https://www.youtube.com/watch? v=o7LlywJ8nno&feature=youtu.be> ). No vídeo percebemos a turbulência da água escoando pelo leito do rio, o fundo do canal, e o modo como a água se comporta ao encontrar obstáculos a sua frente. O som provocado pelo escoamento também é característico desse turbilhonamento, assim como a formação da espuma sobre a superfície da água devido à aceleração. Comentário Na época de estiagem, muito comum no inverno, o nível de água é um pouco mais baixo e na época de cheia, muito comum no verão, o nível de água é mais elevado. Isso acontece devido ao volume de água que alimenta o canal. Mas de onde vem essa água? É comum nos perguntarmos sobre a capacidade de transporte de água dos canais naturais ou artificiais. Essa dúvida é corrente, pois ao observarmos o fluxo de água nos canais a céu aberto percebemos que, dependendo da época do ano, o nível da água estará mais alto ou mais baixo. Rio Trapicheiros – Canal a céu aberto. Rio Joana – Enchente. Inúmeros aspectos devem ser observados quando se trata de dimensionamento de canais, que implica na assertividade do tratamento necessário às ações previstas ao seu monitoramento. É importante compreender desde sua geometria à influência que exerce a vazão de água sobre o canal. Algumas questões precisam ser respondidas: 1 Será que o canal está preparado para receber essa quantidade adicional de água? 2 Qual a vazão limite para um canal? 3 Qual deve ser sua forma geométrica? Qual deve ser sua profundidade? 4 Por que os canais transbordam? 5 Existe um dimensionamento que possa determinar a capacidade de escoamento de um canal? Escoamento dos canais O escoamento em canais pode ocorrer de modo permanente ou não permanente, em que a vazão é o principal mecanismo a determinar o tipo de escoamento. Dica O escoamento será permanente e uniforme se a vazão for constante em determinada seção uniforme (ou seja, que não sofra variações), com profundidade e velocidade do canal constantes. Se conhecermos a vazão do fluxo de água e o modo como seu escoamento se comporta ao longo do tempo, podemos determinar as características geométricas mais eficientes para o canal. Para tanto, alguns outros fatores serão agregados a este estudo, como a rugosidade das paredes do canal e a declividade do fundo do canal, que implicam diretamente no balanceamento entre a força que move a água e a resistência oferecida pelo atrito com a estrutura do canal. Atenção Se houver um aumento na declividade do canal, a velocidade de escoamento será maior. Para que seja mantido um balanceamento no fluxo, a rugosidade deverá ser aumentada, a fim de equilibrar as forças atuantes no sistema, por exemplo. Para que se compreenda essa dinâmica, recorda-se a aplicação da Equação de Bernoulli , considerando, neste caso, o canal como sendo prismático, o escoamento permanente, em que a vazão é a mesma nas duas seções, e a energia cinética se mantendo ao longo do escoamento. Logo, a declividade da linha de energia será igual à declividade de fundo do canal. Onde: H = carga total existente na seção 1 = Z + y + α H T V 2 2g 𝑇 Z = diferença de cota entre o fundo do canal e o plano de referência y = diferença de cota entre o fundo do canal e a linha-d’água V = velocidade do fluido g = aceleração da gravidade a = coeficiente de variação de velocidade na seção (variando de 1,0 a 1,1) He = carga específica A maior parte dos canais artificiais é calculada levando em consideração esse tipo de escoamento, sendo suficientemente longo. Uma vez que a velocidade é considerada constante (escoamento uniforme), reescreve-se a equação: Para a carga específica tem-se que: Saiba mais Canais uniformes e de escoamento uniforme não existem na natureza. Embora se imagine que os canais artificiais prismáticos possam se aproximar dessa situação, essas condições de semelhança necessitam que o ponto de análise esteja afastado o suficiente das seções inicial e final do canal, em que se verifica maior variação de velocidade no fundo do canal. Percebe-se que, normalmente, na entrada do canal, o escoamento ocorre em condições variáveis de geometria e velocidade. O fluido percorre o canal movido pela força gravitacional, que provoca uma aceleração no escoamento, sofrendo influência da força de atrito, que causa uma força restritiva. À medida que o escoamento se desenvolve, ou seja, se afasta, ocorre o equilíbrio dessas forças, e o escoamento sempre tende para o escoamento permanente uniforme. Por este motivo, esta condição não se aplica para canais curtos. = Z + y + H T V 2 2g = y + H e V 2 2g Uma análise criteriosa do fluxo deve ser feita, de modo a verificar em quais pontos do canal o regime de escoamento uniforme poderá se alterar, passando a ser variado, em consequência de mudanças de declividade, variação de seção ou presença de obstáculos. Exemplo Um caso comum, em que pode se observar essa mudança é em coletores de esgotos, que são dimensionados como canais de escoamento uniforme, porém o depósito de lodo nas paredes do canal e pequenos obstáculos provenientes de resíduos densos, provocam remansos e ressaltos no escoamento da água fazendo com o que o movimento se afaste da uniformidade. De um modo mais simplificado retorna-se à figura em que são mostradas as características do escoamento permanente, para serem apresentadas as componentes de força em um fluxo uniforme em canais abertos. Verifica-se que as forças atuando sobre o corpo livre na direção do fluxo incluem as forças de pressão hidrostática F1 e F2 atuando sobre o volume de controle (volume no trecho analisado, de extensão L), o peso do corpo de água nesta extensão, W e a força de atrito, Fat, exercida pelo canal em seu fundo e laterais no fluxo. Representação gráfica do escoamento uniforme. Por uma questão de equilíbrio, o somatório de todas essas componentes de força na direção do canal deve ser igual a zero. /p> Como não há alterações na profundidade da água quando se trata de fluxo uniforme, essa equação pode ser simplificada, pois F =F . 2 + Wsenθ − − = 0F 1 F 2 F at 1 2 Wsenθ − = 0 → Wsenθ = F at F at Uma das condições assumidas é a de que a declividade do fundo do canal deve ser mínima ou até mesmo igual a zero em uma situação ideal. Partindo desta premissa, entende-se que o ângulo Θ é tão pequeno que: Quanto ao peso do corpo de água, W, é correto dizer que seu valor pode ser determinado por: Onde: Am = área da seção transversal normal ao fluxo, ou área molhada L= extensão do trecho g= unidade de pesoda água Deste modo reescreve-se a equação: A força de atrito exercida pelo fundo e paredes do canal também pode ser escrita em função da força de resistência por unidade de área, ou seja, em função da tensão e da área total do leito do canal que está em contato com a água que escoa. Essa área de contato do canal com a água é conhecida como área molhada, Am. Já o perímetro molhado, Pm, é a linha que limita a área molhada junto às paredes e o fundo do canal, não abrangendo, portanto, a superfície livre das águas. Atenção Não se deve confundir a área de seção transversal de um canal com a área molhada, que trata da seção de escoamento. senθ = tangθ = S 0 W = × L × γA m × L × γ × = A m S 0 F at Esquemática da área molhada. A relação existente entre a área molhada e o perímetro molhado é conhecida como raio hidráulico, Rh: Tratando-se de fluxo uniforme, é correto dizer que a declividade do fundo do canal S0 é igual a declividade da linha de carga, Se, então, a equação da velocidade é expressa por: O coeficiente de Manning para rugosidade do canal, n, é tabelado e pode ser obtido facilmente. Observe na tabela a seguir, em que o coeficiente de Manning pode ser analisado de acordo com as condições do canal: Natureza das paredes Condições Muito boa Boa Regular Má Alvenaria de pedra argamassada Alvenaria de pedra aparelhada Alvenaria de pedra seca Alvenaria de tijolos Calhas metálicas lisas (semicirculares) Canais abertos em rocha (irregular) Canais c/ fundo em terra e talude c/ pedras Canais c/ leito pedregoso e talude vegetado Canais com revestimento de concreto Canais de terra (retilíneos e uniformes) Canais dragados Condutos de barro (drenagem) Condutos de barro vitrificado (esgoto) Condutos de prancha de madeira aplainada Gabião Superfícies de argamassa de cimento Superfícies de cimento alisado Tubo de ferro fundido revestido c/ alcatrão Tubo de ferro fundido sem revestimento Tubos de bronze ou de vidro Tubos de concreto Tubos de ferro galvanizado Córregos e rios limpos, retilíneos e uniformes Igual anterior porém com pedras e vegetação = R h A m P m V = × × 1 n R h 2∕3 S e 1∕2 Com meandros, bancos e poços, limpos Margens espraiadas, pouca vegetação Margens espraiadas, muita vegetação Exemplo de tabela com valores típicos do coeficiente de Manning (Fonte: EBAH <http://www.ebah.com.br/content/ABAAAgs3QAA/estudo-caso-secao-canalizada-bacia-corrego-botafogo- na-cidade-goiania-go?part=2> ). O Uma vez que a equação de Manning permite conhecer a velocidade de escoamento, é possível também verificar a vazão de escoamento, em termos de descarga, Q, de acordo com a relação: A área de água e o raio hidráulico são funções da profundidade da água, yn, que também é conhecida como profundidade uniforme ou profundidade normal, quando o fluxo é uniforme. Comentário Isto quer dizer que, embora o canal tenha uma altura pré-dimensionada, a altura da lâmina-d’água é que influenciará no dimensionamento da velocidade e da vazão. Ao observarmos a figura onde o canal está preenchido com água, é possível perceber essa diferença. Ilustração de canal em forma trapezoidal. Dimensionamento hidráulico Tanto os canais a céu aberto como os canais fechados apresentam características geométricas particulares que permitem seu dimensionamento, ainda que de modo preliminar. Q = V × → Q = × × × A m 1 n R h 2∕3 S 0 1∕2 A m Apesar de se apresentar nas mais variadas formas, busca-se aproximar sua seção transversal de uma área de uma figura geométrica já conhecida, ou pelo menos uma combinação dessas áreas, onde seja possível desmembrá-las e associá-las. Tabela das usuais seções transversais de canais. | V. T. Chow. Open Channel Hydraulics, Nova York, McGrowHill, 1959. Para cada tipo de seção é estabelecida uma fórmula para a determinação dos parâmetros do canal. As formas geométricas de seções mais usuais são: 1 Retangular 2 Trapezoidal 3 Triangular 4 Circular parcialmente cheia A transposição do Rio São Francisco, por exemplo, é uma obra em que podemos observar área de seção transversal trapezoidal e paredes e fundo revestido com concreto. Canal do Rio São Francisco sem água. Canal do Rio São Francisco com água. Seção transversal trapezoidal. Vamos estudar o seguinte exemplo: Exemplo “Você foi contratado por uma empresa do ramo de agronegócio para apresentar um laudo técnico, onde consta o dimensionamento um canal de irrigação, em uma área onde o abastecimento contínuo de água é prejudicado durante o inverno, devido à estiagem. Após vistoriar a área, você propôs que fosse construído um canal retangular com largura de 3,000m e uma profundidade uniforme de 1,20m. A empresa que o contratou pediu que o canal não fosse feito de concreto, pois há abundância de pedras na região e sugeriu que você, como engenheiro, desse uma solução alternativa. A solução apresentada por você e aceita pela empresa, foi utilizar gabião nas paredes e no fundo do canal. Sabendo que a declividade do canal medida por você, em sua vistoria, é de 0,041 m/m, qual foi a vazão de escoamento determinada no laudo técnico apresentado?” Podemos calcular três parâmetros, baseados na geometria do canal, que são a área molhada, Am, o perímetro molhado, Pm e o raio hidráulico, Rh. Ao verificar que o revestimento do canal é de gabião, determina-se o coeficiente de Manning, n (valor tabelado), que neste caso é igual a 0,022. Como o fluxo é uniforme, é correto dizer que a declividade do fundo do canal S0 é igual a declividade da linha de carga, Se, logo, é possível determinar a velocidade média de escoamento, assim como a vazão. Quando resolvemos algum exercício que envolve cálculos, é comum nos preocuparmos com números, entretanto, o dimensionamento hidráulico envolve mais que isso. É necessário analisarmos as condições do entorno da obra a ser implantada. Se optássemos por utilizar outra seção transversal, o resultado obtido seria diferente. Se optássemos por utilizar outro tipo de revestimento no canal, que mudasse a sua rugosidade, o resultado também seria diferente. Teríamos vazões diferentes e velocidades diferentes de escoamento. = b × → = 3,00 × 1,20 = 3 ,60 A m y n A m m 2 = b + → = 3,00 + 2 (1,20) = 5,40 mP m 2y n P m = → = → = 0,667 mR h A m P m R h 3,60 5,40 R h V = × × → V = × × 1 n R h 2∕3 S e 1∕2 1 0,022 0,667 2∕3 0,041 1∕2 V = 45,45 × 0,7634 × 0,2025 → V = 7,03 m∕s Q = V × → Q = 7,03 × 3,60 → Q= ∕sA m 25,31 m 3 Sendo assim, é importante verificarmos as condições que norteiam nosso projeto, de modo a dimensionarmos o canal de modo eficaz e de modo a atender às reais necessidades do local onde será implantado. Atividade 1. Você pode praticar esse exercício! Qual seria a vazão de escoamento determinada no laudo técnico apresentado, caso o revestimento do canal fosse de concreto (n=0,012)? Veja como funciona o canal do Panamá. Funcionamento do Canal do Panamá (Fonte: Youtube <https://www.youtube.com/watch? v=DonwI6YjH_A&feature=youtu.be> ). Seções compostas Quando projetamos um canal, é comum pensarmos que em relação à seção transversal teremos uma situação ótima, ou seja, o canal não terá nenhuma irregularidade e será possível manter a mesma seção durante todo o trajeto. Entretanto, não é isso o que acontece na prática. É comum que a seção do canal seja adaptada às condições do relevo do fundo e laterais do canal, ou que sejam feitas otimizações da área da seção transversal de modoa se manipular a velocidade ou a vazão de escoamento, em determinados trechos. Dica Essa situação de irregularidade das paredes do canal é encontrada tipicamente em canais naturais a céu aberto e, nestes casos, deve ser feita uma medida ponto a ponto do fundo do canal a fim de se ter uma aproximação maior de como realmente se comporta este canal em termos de velocidade e vazão de escoamento, devido ao relevo do fundo. Ilustração do perfil de um fundo de canal irregular. Essa medição é chamada de batimetria (ou batometria) e contempla a medição da profundidade dos oceanos, lagos e rios, sendo expressa cartograficamente por curvas batimétricas que unem pontos da mesma profundidade com equidistâncias verticais (curvas isobatimétricas), à semelhança das curvas de nível topográfico. Desse modo, pode acontecer de termos de analisar não uma seção transversal tabelada, mas uma combinação de formas geométricas, ou uma aproximação deste perfil a figuras geométricas conhecidas, que nos leva a facilitar o cálculo da velocidade e da vazão de escoamento, que ocorrerá da mesma forma que em canais de forma geométrica única. Os perfis transversais combinados mais comuns são: 1 Seção transversal de canal triangular com fundo circular. 2 Seção transversal de canal com formato trapezoidal. 3 Seção transversal em formato “U”. Mas, pode haver uma grande variedade de combinações de seções de canais, como por exemplo: Ilustração do perfil de um fundo de canal irregular. Dessa forma, se supusermos um canal de geometria combinada, como deveríamos analisá- lo? No exemplo a seguir, a geometria do canal pode ser definida por uma combinação de figuras geométricas, como um retângulo e um triângulo. Exemplo de canal de geometria combinada. Se considerarmos a altura da lâmina-d’água y0 como sendo de 0,30 m, uma declividade de 0,0005m/m e o coeficiente de Manning igual a 0,015, qual deve ser a vazão de escoamento deste canal? Inicialmente, devemos dividir a seção do canal em figuras geométricas conhecidas, às quais já definimos como um retângulo de 1,0 x 0,30m e um triângulo (metade de um quadrado na verdade, pois o ângulo apresentado é de 45º) de base 0,30m e altura 0,30m. Podemos calcular três parâmetros, baseados na geometria do canal, que são a área molhada, A , o perímetro molhado, P e o raio hidráulico, R . Considerando o fluxo uniforme, é correto dizer que a declividade do fundo do canal S0 é igual a declividade da linha de carga, Se, logo, é possível determinar a velocidade média de escoamento, assim como a vazão. m m h = (b × ) + ( ) → = (1,00 × 0,30) + ( ) = 0,345 A mtotal y n b × y n 2 A mtotal 0,30×0,30 2 m 2 = + b + √2 → = 0,30 + 1,00 + 0,30√2 = 1,724 mP mtotal y n y n P mtotal = → = → = 0,2 m R h A m P m R h 0,345 1,724 R h V = × × → V = × × 1 n R h 2∕3 S e 1∕2 1 0,015 0,2 2∕3 0,0005 1∕2 V = 66,67 × 0,3402 × 0,0224 → V = 0,51 m∕s Percebe-se neste caso uma velocidade muito baixa, que está associada diretamente à pequena declividade do fundo do canal. Uma declividade maior, por uma questão de gravidade, mantendo-se a mesma rugosidade de “n”, consequentemente proporcionaria uma velocidade de escoamento maior. Canal de água em um campo verde. Eficiência das seções Quando analisamos a seção transversal de um canal devemos nos perguntar: existe uma seção otimizada, que seja mais eficiente hidraulicamente? Se observarmos a equação do fluxo uniforme e considerarmos iguais a área de seção transversal e a declividade do canal, veremos que a seção com maior eficiência hidráulica é aquela que possui maior raio hidráulico, como consequência terá uma maior vazão de escoamento. 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, entretanto, 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. Q = V × → Q = 0,51 × 0,345 → Q = ∕sA m 0,175 m 3 Seção transversal circular. 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. Após a análise numérica das propriedades geométricas dos canais conclui-se que as seções mais eficientes hidraulicamente são: 1 Seções trapezoidais — meio hexágono. 2 Seções retangulares — meio quadrado. 3 Seções circulares — meio círculo (semicirculares). Seções hidraulicamente eficientes. 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). É necessário garantir uma distância segura, acima da superfície da água, que evite ondas ou flutuações nas margens. Essa distância segura pode ser interpretada como uma área segura contra o transbordo em épocas de cheia, por exemplo. Geometria do canal para obtenção de máxima eficiência hidráulica. Ilustração de seção trapezoidal: período de seca e período de cheia. Atividades 2. Tanto os canais a céu aberto como os canais fechados apresentam características geométricas particulares que permitem seu dimensionamento, ainda que de modo preliminar. Apesar de se apresentar nas mais variadas formas, busca-se aproximar sua seção transversal de uma área de uma figura geométrica já conhecida, ou pelo menos uma combinação dessas áreas, em que seja possível desmembrá-las e associá-las. Sendo assim, qual o valor do raio hidráulico de um canal a céu averto de seção retangular que possui uma profundidade normal de 3,00m e uma largura de 12,00m? a) 0,50m. b) 18,0m. c) 12,0m. d) 2,0m. e) 20,0m. 3. O escoamento em canais pode ocorrer de modo permanente ou não permanente. Qual o principal mecanismo a determinar o tipo de escoamento? a) Raio hidráulico. b) Gravidade. c) Vazão. d) Rugosidade. e) Chuva. 4. O conceito de seções hidraulicamente eficientes está submetido ao alinhamento do canal com os materiais utilizados no revestimento do mesmo. Após a análise numérica das propriedades geométricas dos canais conclui-se que as seções mais eficientes hidraulicamente são: a) Meio pentágono e meio círculo. b) Meio círculo e meio triângulo. c) Meio círculo e meio hexágono. d) Meio pentágono e meio quadrado. e) Meio quadrado e meio triângulo. 5. Em um dimensionamento hidráulico, se forem fornecidas as características geométricas do canal, quais são os parâmetros hidráulicos que podem ser calculados inicialmente no projeto? a) A área molhada, a área seca, e o raio hidráulico. b) A área molhada, o perímetro molhado, e a declividade. c) A declividade, a rugosidade, e o raio hidráulico. d) Área molhada, o perímetro molhado, e o raio hidráulico. e) A declividade, a área seca, e o raio hidráulico. 6. Ao efetuarmos uma mudança de material de revestimento dos canais podemos impactar significativamente em um projeto. O que pode acontecer se adotarmos em projeto um coeficiente de Manning (coeficiente de rugosidade), para revestimento do canal, maior que o considerado inicialmentee mantivermos todas as demais características geométricas e de declividade inalteradas? a) Aumenta-se a velocidade. b) Aumenta-se a vazão. c) Diminui-se a velocidade. d) Diminui-se a profundidade crítica. e) Diminui-se a declividade. Notas Equação de Bernoulli Equação de Bernoulli: Carga Mecânica Total em uma Seção de Escoamento Unidirecional, Incompressível e em Regime Permanente. Remansos e ressaltos no escoamento da água Remanso e ressalto de escoamento (Fonte: Word Press <https://engucm.wordpress.com/2015/05/19/hidraulica- excoamento-permanente–gradualmente-variado/> ). Referências AZEVEDO NETO, J.M. Manual de Hidráulica. 9.ed. São Paulo: Blucher 2015. HOUGHTALEN, R. J.; AKAN, A.O.; HWANG, N.H.C. Engenharia Hidráulica. 4.ed. São Paulo: Pearson, 2012. 1 2 Próximos Passos Variação do escoamento em canais; Ressalto e remanso hidráulico; Escoamento turbulento. Explore mais Assista ao vídeo Batimetria <https://youtu.be/63iWypTi478> . Acesso em: 9 jul. 2018.
Compartilhar