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Estruturas de Reservação e Controle - Hidraulica

Seminário de conclusão da Disciplina de Hidráulica proposto pelo professor Ed Carlo Rosa Paiva na graduação de Engenharia Civil da UFG/CAC.
by

Raphael Eduardo

on 26 January 2014

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Transcript of Estruturas de Reservação e Controle - Hidraulica

Capitulo 13
Estruturas de Reservação e Controle
Docente:
Ed Carlo Rosa Paiva

Discentes:
Hygor de Castro Mesquita
Karen Campos Rodrigues
Raphael Canedo Eduardo

Barragens
Definição
Barragens são obras hidráulicas destinadas a efetuar o represamento de um curso d’água, objetivando a utilização mais racional dos recursos hídricos relativos a este. (BAPTISTA e COELHO, 2003)
Surgiram da necessidade de armazenar água das chuvas

As barragens mais antigas que se tem notícia foram construídas no Rio Tigre e no Rio Nilo;
No Brasil a mais antiga foi construída em Recife, PE, no final do século XVI;
Controle de cheias;
Rejeitos ou minerações;
Correção torrencial;
Conservação da água;
Finalidades das barragens
Irrigação
Geração de energia
Abastecimento (humano, animal, indutrial)
Psicultura e navegação
Controle de enchentes
Turismo e lazer
Navegação
Gráfico 1
Funções das barragens de uso único
Fonte: CIGB Adaptado (2008)
Concepção e órgãos integrantes
Uma barragem é constituida essencialmente de um barramento colocado transversalmente ao curso d’água;

Componentes específicos
Reservatório;
Vertedouro;
Estruturas de descarga;
Unidade de controle;

Em caso de aproveitamento hidrelétrico

condutos forçados, geradores, subestações
Figura 1 – Esquema de uma Hidrelétrica
Fonte: CIGB (2008)
Níveis e Volumes
Quando o nível do reservatório é menor que o nível mínimo pode ocorrer entrada de ar nas turbinas
Cavitação;

Assoreamento pode alterar o volume morto;

O volume de sobrearmazenamento é calculado para um curto espaço de tempo;
Figura 2 – Níves e volumes nas barragens
Fonte: Baptista e Coelho (2003)
Forças Atuantes
Os principais esforços atuantes em uma barragem são:
Peso da barragem (W);
Pressão hidrostática (H);
Sub-pressão (Pa);

Forças devido às ondas (Fi)

Empuxo
Figura 3 – Esforços e diagramas de pressão atuantes em uma barragem
Fonte: Baptista e Coelho (2003)
Desvio do Rio
Realizado no período da construção para permitir a execução dos trabalhos a seco;

O mais comum é a realização em uma ou duas fases;
Desvio em 2 fases
Figuras 4 e 5 – Esquema das fases do desvio do rio
Fonte: Rocha (2006)
Desvio em 1 fase
Figura 6 – Esquema do desvio do rio em 1 fase
Fonte: Rocha (2006)

Tipos de Barragens
Terra
Enrocamento
Concreto
Mistas
Aterro
As barragens de terra podem ser homogêneas ou zonadas
Figura 10 – Barragens de terra
Fonte: Costa adaptado (2012)
Podem ser de núcleo impermeável ou face impermeável
Figura 12 – Barragens de enrocamento
Fonte: Costa adaptado (2012)
É necessário que exista rocha sã ao longo do eixo da barragem;

Exerce maiores pressões nas fundações e nos vales

Principais tipos: gravidade, gravidade aliviada e ábobada.
Gravidade
Barragens maciças , com pouca armação;
Trabalha à compressão;
A estabilidade é garantida pelo peso próprio da estrutura

Figura 14 – Barragens de concreto do tipo gravidade
Fonte: Costa adaptado (2012)
Gravidade Aliviada
Barragem vazada;
Menor pressão nas fundações e economia de concreto;
Estrutura mais leve e com maior uso de armação;

Em contraforte
Mais leve que a de gravidade aliviada;
Placas inclinadas em concreto transmitem a pressão hidrostática aos contrafortes;


Abóboda
Curvatura em duplo sentido;
Obra esbelta;
Consome menor volume de concreto por m² de superfície represada;

Podem ser mistas na seção ou no traçado;

Não é considera mista quando o corpo principal é de terra ou enrocamento e o vertedouro de concreto;

Cuidado no contato entre a terra e o concreto;

Terra/enrocamento, terra/concreto, concreto/enrocamento.

Vertedores
Definição
"São estruturas hidraulicas destinadas a efetuar a descarga das águas excedentes dos reservatórios sem ocasionar danos à barragem ou às outras estruturas hidraulicas adjacentes." (BAPTISTA, 2003)
Figura 23 - Esquema Basico de um Vertedor
Fonte: Baptista e Lara 2003
Os vertedores também são utilizados para controlar o fluxo à entrada de canais e para efetuar o controle de níveis em obras.

O tipo e a localização dos vertedores podem variar conforme as condições geotécnicas e topográficas locais e o arranjo geral da obra.

Essencialmente os vertedores constituem-se de uma tomada d'água associada a uma soleira, sendo que a água coletada dirige-se, em seguida, a uma estrutura de descarga.
Tipos de vertedores
O vertedores são usualmente executados em concreto, sendo utilizado em alguns casos, também, em gabiões, alvenaria, aço e madeira.

Podem ser implantados no próximo corpo da barragem ou de forma totalmente independente.
Vertedores de Serviço


Vertedores de Emergência
Vertedores com controle


Vertedores sem controle
Vertedor Simples
Constituido de uma soleira elevada, com crista arredondada, situada no nivel normal das águas, pode ser parte constituinte ou não da barragem.

É indicado em cursos d'água de pequeno porte, com vazões de projeto pequenas, ou em barramentos com grande extensão de crista.
Vertedor tubular (tulipa)
Constuido por uma canalização vertical (denominada shaft), seguida por uma canalização aproximadamente horizontal até o desague.

Tem funcionamento hidráulico complexo, operando ora como vertedor e ora como conduto forçado (dependendo da vazão e afluente).
Figura 25 - Vertedor tulipa
Fonte: Chadwik e Morffet, 1991
Vertedor sifão
Permite a operação com nivel d'água aproximadamente constante dentro da faixa de vazões de projeto.

Apresenta limites quanto à capacidade de vazão e desnivel, de forma a evitar a cavitação.
Figura 27 - Vertedor sifão
Fonte: Chadwik e Morffet, 1991
Vertedores com comportas
Constituem-se essencialmente em soleiras situadas abaixo do nivel normal das águas, dispondo-se de comportas para controle de vazão.

Obtem-se maior vazão especifica, através do aproveitamento das cargas hidraulicas correspondentes.

O tipo e a localização das comportas bem como a forma do vertedor podem variar bastante segundo as condições de projeto.
Imagem 29 - Vertedor com comporta
Fonte: Baptista e Lara, 2003
Dissipadores de Energia
A energia cinética em escoamentos d’água pode chegar a níveis elevados. Se a energia é muito alta pode acabar danificado uma estrutura, ou o próprio corpo natural receptor das águas.

Por isso que se usam dissipadores de energia, para que haja um equilíbrio na velocidade do escoamento com as características de resistência do meio.
As estruturas dissipadoras são dimensionadas de forma natural (difícil definir analiticamente).

Antes de levar para a prática são feitos estudos experimentais, e específicos para cada tipo de obra.
Tipos de estruturas dissipadoras
Bacias de Dissipação
Dissipa energia pelo conceito de ressalto hidráulico.

Problemas
Dificuldade de determinar a posição do ressalto, em função das variações de vazão;

Possibilidade de ressalto em uma grande extensão, caso ocorra pode haver erosão em grande parte do trecho.
Objetivos
Fixar a posição do ressalto e reduzir o seu comprimento;

E, logicamente, ter eficiência na dissipação de energia.
Diversos trabalhos experimentais foram desenvolvidos, para dimensionamento de bacias de dissipação eficientes e compactas.

Existem algumas bacias de dissipação padronizadas pela USBR (U.S. Bureau of Reclamation), (Peterka, 1984).

Dissipadores de Jato
Usados em obras de grande porte, se caracteriza por na extremidade jusante ter o formato de concha cilíndrica, que projeta um jato de água em direção ascendente.
Posição alta: o lançamento é efetuado acima do NA de jusante. Estrutura denomina-se: salto de esqui.

Posição idêntica: o lançamento é efetuado na mesma altura do NA de jusante: Estrutura denomina-se: concha de arremesso.

Posição baixa: o lançamento é efetuado abaixo do NA de jusante.
Posicionamento da estrutura em relação ao nível d’água (NA)
A definição da forma e do posicionamento da estrutura é objeto de estudos experimentais específicos.

OBS.: Se a vazão for menor que a de projeto essa concha vai agir como uma bacia dissipadora (como já foi dito anteriormente), ou seja, ela não forma o jato.

Dissipadores de Impacto
Os dissipadores de impacto dissipam energia através do impacto do fluxo em alta velocidade contra uma estrutura rígida.
É a medida mais econômica

O dimensionamento é de acordo com trabalhos experimentais específicos.

Existem alguns dissipadores de impactos padronizados.

Destaca-se o de tipo Bradley-Peterka, também desenvolvido pelo USBR.
O dimensionamento pode ser feito através dos valores mostrados
Dissipadores Continuos
Os dissipadores contínuos efetuam a dissipação de forma distribuída, ao longo da própria estrutura de condução.
Escadas ou descidas d’águas em degraus
Dissipam energia através do impacto do jato de água com a estrutura, podendo ocorrer até a formação de ressalto em cada degrau.

Dimensionamentos de escadas hidráulicas são fundamentadas em trabalhos experimentais.
Rampas ou calhas dissipadoras
A implantação de calhas dotadas de blocos dissipadores apresenta maior eficiência dissipadora que as escadas.

Os blocos dissipadores evitam a aceleração excessiva do fluxo e a necessidade de dissipação concentrada a jusante.
Referencias
BAPTISTA, M. B.; COELHO, M. M. L. P. Fundamentos de engenharia hidráulica. 2. ed. Belo Horionte: Editora UFMG, 2003.

COMISSÃO INTERNACIONAL DE GRANDES BARRAGENS. As barragens & a Água do Mundo. Tradução de Comitê Brasileiro de Barragens. Curitiba, 2008. Tradução de Dams & The World’s Water.

COSTA, W. D. Geologia de barragens. São Paulo: Oficina de Textos, 2012.

ROCHA, G. D. S. C. Desvio de rios para construção de barragens. 2006. 224p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo. 2006
Obrigado =)
Barragem da Aguieira, Portugal
Gordon Dam, Austrália (barragem em arco)

Hoover Dam nos EUA (arco-gravidade
Barragem principal da UHE Itaipu Binacional
Figura 15 – Barragens de concreto do tipo gravidade aliviada
Fonte: Costa adaptado (2012)

Figura 16 – Barragens de concreto do tipo contraforte
Fonte: Costa adaptado (2012)

Figura 17 – Barragens de concreto do tipo contraforte
Fonte: Costa adaptado (2012)
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