PHD 0313 Instalações e Equipamentos Hidráulicos

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1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA POLITÉCNICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E AMBIENTAL PHD 0313 Instalações e Equipamentos Hidráulicos Aula 4: Condutos Livres Prof.: MIGUEL GUKOVAS Prof.: J.RODOLFO S. MARTINS Prof.: RONAN CLEBER CONTRERA PHD0313/4/1

2 Objetivos da aula Condutos livres Funcionamento e operação de canais Dimensionamento PHD0313/4/

3 Condutos Livres O escoamento em canais 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. PHD0313/4/3

4 Exemplos PHD0313/4/4

5 Exemplos PHD0313/4/5

6 Exemplos PHD0313/4/6

7 Canal de Fundo Fixo - Elementos Geometria da Seção Declividade de Fundo Acabamento/revestimento/rugosidade das paredes PHD0313/4/7

8 Canal Artificial Escavado PHD0313/4/8

9 Canal Revestido em Gabião PHD0313/4/9

10 Canais Naturais PHD0313/4/10

11 Canais Urbanos PHD0313/4/11

12 Canais Urbanos PHD0313/4/1

13 Canais Urbanos PHD0313/4/13

14 Canais Urbanos PHD0313/4/14

15 Canais Urbanos?????? PHD0313/4/15

16 Elementos de Drenagem Urbana PHD0313/4/16

17 Declividade Longitudinal PHD0313/4/17

18 Tipos de Escoamento Regimes de Escoamento Permanente os parâmetros não variam com o tempo Não Permanente os parâmetros variam com o tempo Variado Variado Uniforme gradual rápido Uniforme gradual rápido PHD0313/4/18

19 Parâmetros Geométricos PHD0313/4/19

20 Parâmetros Geométricos Elementos Geométricos dos Canais A área molhada ou área da seção transversal do escoamento p perímetro molhado é o comprimento da fronteira sólida do conduto em contado com o fluido R h relação entre área e perímetro molhado Y 0 altura d água ou profundidade local B largura na superfície do escoamento PHD0313/4/0

21 Seções Transversais PHD0313/4/1

22 Resistência ao Escoamento Tensão tangencial junto ao perímetro é constante A inclinação é pequena de forma que i=tg= PHD0313/4/

23 PHD0313/4/3 Perdas de Energia g V y Z g V y Z E H H E // // Z Z E V V y y y Q Q I J i n ) ( 1 sen x Z Z x E J

24 PHD0313/4/4 Fórmula Universal g V D L f. H E J R C V f g C J R f g V H H J R C A Q H... g R V f J R D D g V f J H H H H D g V f L.. H J Para Condutos Livres: Equação de Chezy A V Q.

25 Equação de Manning Equação de Chezy Q C. A. R. H J Equação de Manning 1 3 / Q. A.( RH ). n J Como J // i : 1 3 / Q. A.( RH ). n i Os valores do coeficiente de atrito n, são tabelados em função da natureza das paredes do conduto. PHD0313/4/5

26 Coeficiente de Manning PHD0313/4/6

27 Exemplo 1 Tem-se um canal trapezoidal, executado em concreto não muito liso, com declividade i = 0,04%. Determinar qual é a capacidade de vazão em regime uniforme quando a profundidade é igual a 1,90 m. PHD0313/4/7

28 Exemplo 1 - Solução i = 0,04%; y o = 1,90 m; b = 10,0 m; Z = 1,0 (1V:ZH); Q =? Solução: pm b. yo ( Z. yo) 10. 1,9 (1,0.1,9) 15, 37m A m y o ( b B) [10,0 (10,0 1,9 1,90)],61m Am,61 RH 1, 471m p 15,37 m PHD0313/4/8

29 Exemplo 1 - Continuação i = 0,04%; y o = 1,90 m; b = 10,0 m; Z = 1,0 (1V:ZH); Q =? Da Tabela, n 0,014 i 0,04% 0,04/100 0,0004m / m Q 1 /3 / A( R ) i 3 H n 1,61(1,471) 0,014 0, Q 41,78m / s PHD0313/4/9

30 Condutos circulares PHD0313/4/30

31 Cond. circulares: relações D A sen 8 * D P D sen Rh * 1 4 y D 1 cos y * arc cos1 D B D * sen 8 / 3 1 D sen Q / 3 / 3 n 8(4) 1grau 0,01745rad, 1rad 57,957graus 5 / 3 rad 1 nq/i1/ Y/D PHD0313/4/31

32 Condutos Circulares Na prática utilizam-se tabelas para o dimensionamento de condutos circulares, o que reduz muito a necessidade de se efetuar cálculos complexos. PHD0313/4/3

33 Condutos Circulares D M K 1 M nq i 3/8 Fonte: Porto (1998) PHD0313/4/33

34 Exemplo Dimensionar a galeria de drenagem em tubos de concreto para escoar a vazão,85 m³/s sabendo-se que a declividade é 0,% e que a profundidade da lâmina d água não deve ultrapassar 80% do diâmetro. PHD0313/4/34

35 Exemplo Solução: Q =,85 m³/s; i = 0,% = 0,00 m/m; y max /D = 80% = 0,80; D =? Material = concreto n = 0,013 M nq i 3/8 0,013,85 0,00 3/8 0,93 Da tabela: para : y / D 0,8 K 1 o 0,640 PHD0313/4/35

36 Exemplo (continuação) M 0,93 D 1, 45 m Portanto Adota-se: D 1, 50 m K 0,640 1 Para se determinar a altura da lâmina líquida (y o ) do canal circular: K 0,93 1,50 1 D M 0,61 Da tabela: para : K1 0,61 y / D o 0,74 y o D0,74 1,500,74 y o 1, 11 m PHD0313/4/36