Hidráulica de Canais: Características e Elementos

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PORTOS E HIDROVIAS
Engenharia Civil
HIDRÁULICA DE CANAIS
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HIDRÁULICA DE CANAIS
CARACTERISTICAS 
Nos Canais, conhecidos também por Condutos Livres 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, hidro eletricidade, navegação e 
conservação do meio ambiente.
Compreendem-se como condutos livres os recipientes, abertos ou 
fechados, naturais ou artificiais, independentes da forma, sujeitos à 
pressão atmosférica. 
Os rios são o melhor exemplo de condutos livres. A designação de 
conduto ou canal tanto se pode aplicar a cursos d'água natural como 
aos artificiais.
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CARACTERISTICAS 
Na Fig. 1 são mostrados dois casos típicos de condutos livres (a e b); 
em (c) está indicado o caso limite de um conduto livre: embora o 
conduto funcione completamente cheio, na sua geratriz interna 
superior atua uma pressão igual à atmosférica. 
Em (d) está representado um conduto forçado no qual existe uma 
pressão maior do que a atmosférica
Figura 1 
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CARACTERISTICAS 
Os condutos livres e os condutos forçados, embora tenham pontos 
em comum, diferem em importante aspecto: os condutos livres 
apresentam superfície livre onde atua a pressão atmosférica, 
enquanto que, nos condutos forçados, o fluído enche totalmente a 
seção e escoa com pressão diferente da atmosférica.
No que se refere às semelhanças entre estes condutos, os 
problemas apresentados pelos canais são mais difíceis de se 
resolverem, porque a superfície livre pode variar no tempo e no 
espaço e, em consequência, a profundidade de escoamento, a vazão, 
a declividade do fundo do canal e a da superfície livre são 
grandezas interdependentes.
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CARACTERISTICAS 
De modo geral, a secção transversal do conduto forçado é circular, 
enquanto nos condutos livres pode assumir qualquer outra forma.
No conduto forçado, as rugosidades das paredes internas têm 
menor variedade do que a do conduto livre, que pode ser lisa ou 
irregular, como a dos canais naturais. 
Além disto, a rugosidade das paredes pode variar com a 
profundidade do escoamento e, consequentemente, a seleção do 
coeficiente de atrito é cercada de maiores incertezas do que no 
caso de condutos forçados
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TIPOS DE ESCOAMENTO:
➢ Permanente: δV/δt = 0 e δh/δt = 0, em uma seção transversal do 
canal. 
Ex: canais revestidos.
➢ Não-permanente: δV/δt ≠ 0 e δh/δt ≠ 0. 
Ex: Uma onda de cheia em um rio.
➢ Permanente e Uniforme: δV/δt = 0 e δV/δX = 0. 
Ex: Canais de irrigação.
➢ Permanente e Não-uniforme: δV/δt = 0 e δV/δX ≠ 0. 
Ex: Ressalto hidráulico.
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ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE UM CANAL
Os elementos geométricos constituem propriedades da secção 
transversal do canal, as quais podem ser caracterizadas pela forma 
geométrica e pela altura de água. 
Estes elementos são indispensáveis ao dimensionamento hidráulico. 
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. 
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ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE UM CANAL
Os principais elementos geométricos são:
Altura de água ou profundidade de escoamento (h): distância 
vertical entre a superfície livre e a base do canal. 
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ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE UM CANAL
Área molhada (AM): área da seção transversal ocupada pela água.
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ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE UM CANAL
Perímetro molhado (PM): comprimento da linha de contato entre a 
água e as paredes e o fundo do canal
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ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE UM CANAL
Raio hidráulico (Rh): resultado da divisão da área molhada pelo 
perímetro molhado.
Inclinação dos taludes (λ): Projeção horizontal/projeção vertical.
Declividade do canal ( I ): referente ao fundo do canal e igual à 
tangente do ângulo.
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 
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VARIAÇÃO DA VELOCIDADE NA SEÇÃO TRANSVERSAL
Nos canais, o atrito entre a superfície livre e o ar acentua as 
diferenças das velocidades nos diversos pontos da secção 
transversal. 
A determinação das velocidades nos diferentes pontos das secções 
transversais dos canais, de um modo geral, só é possível por via 
experimental.
A velocidade máxima numa vertical da secção transversal situa-se, 
geralmente, entre 0,05h e 0,25h. O valor da velocidade média em 
uma vertical da secção reta, geralmente, é igual à média das 
velocidades medidas às profundidades correspondentes à 0,2h e 
0,8h, ou seja: Vm = (V0,2 + V0,8)/2.
Outra alternativa é considerar a velocidade média como sendo a 
velocidade medida a 0,6h.
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DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO – ESCOAMENTO PERMANENTE 
E UNIFORME
Entre as equações empíricas válidas para o dimensionamento de 
condutos livres ou canais em regime de escoamento permanente e 
uniforme, sem dúvida a equação de Manning é a mais tradicional. 
A equação fundamental da qual se originaram as demais foi 
apresentada por Chézy em 1769, conforme a equação:
V : velocidade de escoamento, em m/s
Rh: raio hidráulico
I : declividade do canal, m/m
.
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DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO – ESCOAMENTO PERMANENTE 
E UNIFORME
Manning propôs mais tarde que o Coeficiente C fosse calculado por 
C = (Rh1/6)/n, sendo n, um coeficiente de rugosidade que depende 
da natureza das paredes e do fundo do canal. 
Dessa forma, combinando a equação de Chézy
com a proposição de Manning, tem-se que:
V = (Rh1/6. Rh1/2.I1/2)/n, que resulta em V = (Rh0,667.I0,5)/n.
Q = V.A
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Valores de n
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Um canal retangular possui 2m de largura e contem agua com 3m de
profundidade. Se a declividade for 1,5% (0,015) e revestimento for
de metal corrugado, calcule o valor da descarga (vazão) para
escoamento uniforme.
V = (Rh0,667.I0,5)/n.
b = 2m 
h = 3m 
I = 0,015 
n = 0,022 
Rh =A/Pm A = 2 x 3 A = 6m² Pm = 3+2+3 Pm = 8m
Rh = 6/8 Rh = 0,75m
V = (Rh0,667.I0,5)/n. V = (0,750,667.0,0150,5)/0,022 V = 4,59m/s 
Q = V.A 
Q = V.A Q = 4,59 x 6 Q = 27,54m³/s
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Calcular a vazão de cinco tubos de esgoto, cada um com 2m de
diâmetro e feitos de argila, que funcionam a meia seção, com uma
declividade de 0,25°,
D = 2m
I = 0,25° → I = tg 0,25º → I = 0,0043
n = 0,014
Rh =Am/Pm
Am =Π D²/4/2 Am =Π 2²/8 Am = 1,57m²
Pm =Π D/2 Pm =Π 2/2 Pm =3,14 m
Rh =Am/Pm→ Rh = 1,57/3,14 → Rh = 0,50m
Q = V.A V = (Rh0,667.I0,5)/n → V = (0,50,667.0,00460,5)/0,014 → V = 2,94m/s
Q = 2,94x1,57 → Q = 4,63m³/s Para 5 tubos Q = 5x4,63 → Q = 23,15 m³/s