Bueiros GRS 142: Estruturas Hidráulicas de Condução em Escoamento Livre

Estruturas hidráulicas de condução em condições de escoamento livre Bueiros GRS 142 Condutos livres e estruturas hidráulicas Professor Michael Silveira Thebaldi Objetivos e tipos de estruturas hidráulicas de condução em condição de escoamento livre Os recursos hídricos se tornam efetivamente úteis quando adequadamente controlados contidos ou transportados Obras hidráulicas Estruturas de condução de água e compatibilização do escoamento com outras obras de infraestrutura Objetivos e tipos de estruturas hidráulicas de condução em condição de escoamento livre Canais Condução de água Possibilitar ou favorecer a navegação Pontes Transposição de recursos hídricos por obra viária Objetivos e tipos de estruturas hidráulicas de condução em condição de escoamento livre Bueiros Passagem de água sob obras de terraplanagem Bueiros Estruturas hidráulicas que permitem a passagem de água dos talvegues sob obras de terraplanagem como aterros rodoviários e ferroviários Carvalho 2020 Bueiros Estruturas hidráulicas que permitem a passagem de água dos talvegues sob obras de terraplanagem como aterros rodoviários e ferroviários Bueiros Número de linhas Simples duplos triplos ou múltiplos Forma Tubulares ou Celulares Formatos diversos elípticos em arco entre outros Boca Concreto pedra argamassada ou gabiões Corpos Concreto simples armado ou protendido Metálicos Classificação Ex BDCC 300 x 200 Bueiro duplo celular com 30 m de largura e 20 m de altura Bueiros Corpos Concreto simples armado ou protendido Metálicos Materiais Aço Corrugado Bueiros Corpos Concreto simples armado ou protendido Metálicos Materiais PréMoldado de Concreto circular Bueiros Corpos Concreto simples armado ou protendido Metálicos Materiais PréMoldado de Concreto retangular Concreto moldado in loco Bueiros Objetivos Entrada proteger o aterro nas imediações montante contra possíveis erosões reduzir a perda de carga Saída promover a transição para o curso dágua à jusante proteger o aterro nas imediações jusante contra possíveis erosões Muros de entrada e saída Bueiros Muros de entrada e saída Carvalho 2020 Bueiros Muros de entrada e saída Carvalho 2020 Grades de proteção Destinase a evitar a entrada de materiais que possam provocar o entupimento parcial ou total do bueiro Espaçamentos entre barras em torno de 13 da menor dimensão do bueiro Hidráulica de bueiros Bueiros Simples como estruturas porém com funcionamento hidráulico relativamente complexo Podem funcionar como Canal escoamento livre Orifício Carga hidráulica de montante em carga Conduto forçado submergência das duas extremidades afogado Considerações sobre o projeto de bueiros Bueiros i No dimensionamento hidráulico procurase determinar as dimensões mais econômicas que atendem às vazões afluentes a A vazão de projeto é normalmente aquela esperada para um determinado período de retorno sem causar afogamento na entrada b Verificase se o mesmo é capaz de dar escoamento a vazões maiores maiores períodos de retorno mas com afogamento da entrada ii A declividade neutra é a declividade da linha de energia com o bueiro trabalhando a seção plena altura dágua dentro do bueiro coincide com a geratriz superior do bueiro a se a declividade natural calculada pela fórmula de Manning for maior que a declividade neutra o bueiro funciona como conduto livre b caso contrário o bueiro funcionará como conduto forçado iii Dois casos práticos a Dimensionamento de obras novas b Verificação de funcionamento de obras existentes Considerações sobre o projeto de bueiros Bueiros iv Obras novas a Usualmente efetuado na hipótese de funcionamento como canal sem carga hidráulica de montante ou em casos especiais com carga limitada a 20 da dimensão vertical da obra v Obras existentes a Alguma carga a montante pode ser aceita desde que atenda à altura máxima do NA devido à obra de terraplanagem que não podem ser superadas b Na prática limitação de carga hidráulica correspondente a 2 vezes o diâmetro ou altura do bueiro vi No caso de linhas múltiplas a Adotase uma redução na capacidade de escoamento de 5 para cada linha adicional devido às condições de entrada mais desfavoráveis Ex para bueiros duplos sua capacidade de vazão total é de 95 da soma das capacidades de vazão de cada tubo Considerações sobre o projeto de bueiros Bueiros vii Velocidades de escoamento a Concreto máximo de 45 ms b Metálicos máximo de 60 ms c Verificar sempre a compatibilidade da velocidade com o terreno a jusante prevendo se necessário obras para dissipação de energia Hidráulica de bueiros Bueiros funcionando como canal Condição de nãosubmergência Qafluente Qadmissível Hm 120D ou 120H Em certos casos admitese Hm 150D ou 150H Bueiros Baptista e Lara 2010 fluvial fluvial torrencial Determinação do regime de escoamento comparação da declividade crítica Ic com a declividade de assentamento Bueiros tubulares Ic 3282 n2 3 D Bueiros celulares Ic 26 n2 3 H 3 4H B 4 3 Hidráulica de bueiros Bueiros Se i Ic subcrítico e controle de jusante Se i Ic supercrítico e controle de montante Ic e i em mm O dimensionamento de obras subcríticas deve ser feito por meio das equações relativas ao regime uniforme Tubulares podem ser obtidas as seguintes expressões que admitem uma folga de 20 ou seja uma profundidade de fluxo de 80 do diâmetro Qadm 0365 n D 8 3i 1 2 v 0452 n D 2 3i 1 2 Hidráulica de bueiros Bueiros Q em m³s D em m i em mm n é o coeficiente de Manning O dimensionamento de obras subcríticas deve ser feito por meio das equações relativas ao regime uniforme Celulares podem ser obtidas as seguintes expressões que admitem uma folga de 20 ou seja uma profundidade de fluxo de 80 do diâmetro Qadm 08BH 5 B 16H 2 i 1 2 n v Qadm 08BH Hidráulica de bueiros Bueiros Q em m³s D em m i em mm n é o coeficiente de Manning A situação de obras subcríticas em que HJ é superior à crítica corresponde aos casos em que pode ocorrer influência do nível de jusante no escoamento ao longo do bueiro Hidráulica de bueiros Bueiros Escoamento Gradualmente Variado O dimensionamento de obras supercríticas deve ser feito limitando a vazão admissível à vazão do regime crítico Altura característica da energia específica igual ao diâmetro ou altura do bueiro Tubulares podem ser obtidas as seguintes expressões que admitem uma folga de 20 Qadm 1533D 5 2 v 256D 1 2 Hidráulica de bueiros Bueiros Q em m³s D em m i em mm n é o coeficiente de Manning O dimensionamento de obras supercríticas deve ser feito limitando a vazão admissível à vazão do regime crítico Altura característica da energia específica igual ao diâmetro ou altura do bueiro Celulares podem ser obtidas as seguintes expressões que admitem uma folga de 20 Qadm 1705BH 3 2 v 256H 1 2 Hidráulica de bueiros Bueiros Q em m³s D em m i em mm n é o coeficiente de Manning Hidráulica de bueiros Bueiros funcionando como orifícios Para entrada afogada devese determinar a altura de carga correspondente à vazão afluente para uma certa dimensão do bueiro Bueiros A vazão afluente supera a vazão admissível para funcionamento como canal Há acúmulo de água na entrada da obra NA de montante aumenta até que a carga possibilite transporte da vazão Hidráulica de bueiros Funcionamento hidráulico definido pelas expressões da teoria dos orifícios Q CdA 2gh em que Cd coeficiente de descarga com valores entre 077 e 055 geralmente adotado 063 para tubulares e celulares A área da seção transversal m² e h altura de carga a partir do eixo da obra m Bueiros Hidráulica de bueiros Para bueiros tubulares Cd 063 Qadm 2192D2 h em que A área da seção transversal m² h altura de carga a partir do eixo da obra m e D diâmetro do bueiro m Bueiros v 279 h Hidráulica de bueiros Para bueiros celulares Cd 063 Qadm 2792BH h em que A área da seção transversal m² h altura de carga a partir do eixo da obra m B base do bueiro m e H altura do bueiro m Bueiros v 279 h O dimensionamento hidráulico para condições de escoamento com entrada afogada consiste em determinar a altura de carga correspondente à vazão afluente para uma dada dimensão do bueiro Assim esta altura deve ser compatível com as condições locais de implantação da obra Hidráulica de bueiros Caso não se queira adotar Cd 063 Bueiros Coeficiente de descarga em função da carga h Cd 0614 h D 0101 Hidráulica de bueiros Observação Para o caso em que a saída do bueiro não é afogada mas o mesmo trabalha com seção plena podese utilizar as equações a serem apresentadas a seguir para bueiros atuando como condutos forçados porém considerando HJ D Bueiros Hidráulica de bueiros Bueiros funcionando como condutos forçados Aplicandose a equação de Bernoulli Hm iL vm 2 2g HJ vj 2 2g H Hm HJ IL H Em função da submersão na entrada e saída v 0 Bueiros i inclinação do bueiro Para pequenos ângulos sen θ tan θ i iL ΔZ para o PHR na soleira de jusante Quando os NAs de montante e jusante superam o diâmetro ou altura do bueiro o mesmo encontrase afogado Hidráulica de bueiros H ke v2 2g kS v2 2g n2v2L RH Τ 4 3 Confrontase o Hm calculado com o altura de carga para hipótese de funcionamento como orifício adotandose o maior Hm Compatibilização com a altura do aterro e cota de áreas inundáveis ke Bueiros tubulares ver quadro e imagens Bueiros celulares 02 a 07 05 para entradas angulares e 02 para entradas hidraulicamente adequadas ks 03 a 10 sendo usualmente adotado 1 Bueiros As perdas de carga ΔH ao longo da obra podem ser estimadas pela seguinte expressão H ke 1 2g n2 L RH Τ 4 3 v2 2g Hidráulica de bueiros Bueiros Tipo de estrutura de entrada Bueiros em concreto Bueiros metálicos Bolsa saliente com ou sem muro e alas 02 Ponta saliente com ou sem muro e alas 05 Saliente sem muros e alas 09 Saliente com muro e alas 05 Muro de testa final do tubo arredondado 02 Tubo biselado 07 07 Seção terminal conformada com aterro 05 05 Muro de testa sem alas 02 05 Coeficientes de perda de carga na entrada de bueiros tubulares Hidráulica de bueiros Bueiros Ke igual a 08 para bueiros com entrada com projeção para fora do aterro 05 para bueiros com arestas em ângulo vivo arestas vivas e de 02 para bueiros com arestas arredondadas Carvalho 2020 Referências AZEVEDO NETTO J M FERNANDEZ M F Manual de hidráulica 9ª Edição Editora Blucher 631 ISBN 9788521208891 BAPTISTA Márcio Benedito COELHO Márcia Maria Lara Pinto Fundamentos de engenharia hidráulica 3 ed rev e ampl Belo Horizonte MG Ed UFMG c2010 473 p Ingenium ISBN 9788570418289 broch CARVALHO Jacinto de Assunção Notas de aulas Disciplina GRS142 Universidade Federal de Lavras 2020 CARVALHO Jacinto de Assunção OLIVEIRA Luiz Fernando Coutinho de Instalações de bombeamento para irrigação hidráulica e consumo de energia 2 ed rev e ampl Lavras MG Ed UFLA 2014 429 p ISBN 9788581270364 broch COUTO Luiz Mário Marques Elementos da hidráulica 2 ed Rio de Janeiro RJ Elsevier 2019 xv 457 p ISBN 9788535291407 broch GRIBBIN John R Introdução à hidráulica hidrologia e gestão de águas pluviais São Paulo SP Cengage Learning 2009 x 494 p ISBN 9788522106356 broch HOUGHTALEN Robert J HWANG Ned H C AKAN A Osman Engenharia hidráulica 4 ed São Paulo SP Pearson Education do Brasil 2012 xiv 316 p ISBN 9788581430881 broch PORTO Rodrigo de Melo Hidráulica básica 4 ed rev São Carlos SP EESCUSP 2006 xix 519 p ISBN 8576560844 broch 35