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Baixe Livro - Hidráulica Básica - Rodrigo Porto - 4ª Edição e outras Notas de estudo em PDF para Hidráulica, somente na Docsity!
g EESC USP PROJETO REENGE HIDRÁU LICA BÁSICA 4 EDIÇÃO | RODRIGO DE MELO PORTO HIDRÁULICA BÁSICA 4º EDIÇÃO RODRIGO DE MELO PORTO Departamento de Hidráulica e Saneamento Escola de Engenharia de São Carlos Universidade de São Paulo Publicação EESC-USP São Carlos, SP 2006 Ao meu pai, Eng. Fernando de Figueiredo Porto, pelo exemplo de caráter e por tudo «quilo que me proporcionou. À Lú, pelo amor, dedicação e paciência. Para Mau, Tati e Li, razão de tudo. Paraiso ds Ta pel Sat E umnpo Sage om gkr do Uns dipodopacmos co homes ris o sas cos e mpprMpD amenir a oiee guns nl liga + ol Cena de BS Re obtido oa pues mnio PO aoho! cos cas “Too num a = mem Deqtna sos lda Cova ml Momo Sm aeiihapo nd Doe TT caga ST afonso mel! er RE ai Eumim! gbh tule SÊ o eta ounlosc no o mo ue Ly rs Cm ooo O da tt Doo amo ano ehom Sly pos E CA RR SO RS RE A o leia CRE qu lite ma pa Ea] ns Cr: et um a bd Some Do V, = = 05 chat oshoa me agito = Bru “us fe A nssadfcam aloal Deocmag ne iD = ao! pa | E DÊ ho dir Por = vm e dm = Llc%a aid au! Dm tr dE ue O est do ren alada o o E fege puro gomes, cost mpes toy açipgão q | Mo E ai en Mt full med mo e normal oh auiam Dog dra a Fido O STARS o o ostra er empleo + Bala a sous = no im" Ee ul = Ma Seo ENS mo lo Por ilragu no uti a a STS ada ii A rito emp e vom Sr wu Cego q cep othgom A APRESENTAÇÃO O REENGE (Reengenharia do Ensino de Engenharia) é uma linha de atuação do Programa de Desenvolvimento das Engenharias que tem por obje- tivo apoiar a reformulação dos programas de ensino de engenharia como par- te do processo de capacitação tecnológica e de modernização da sociedade brasileira, bem como da preparação para enfrentar os desafios futuros gerados pelos progressos técnico e científico alcançados em nível internacional. Visando à consecução de seu objetivo, o REENGE tem oferecido apoio e incentivo para o desenvolvimento de importantes projetos, dentre os quais se destaca à publicação de livros didáticos para os cursos de graduação e educa- ção continuada. A presente publicação Hidráulica Básica, patrocinada pelo REENGE, é um texto destinado ao apoio à disciplina Hidráulica dos cursos de Engenharia Civil, com caráter eminentemente didático e cobrindo os principais tópicos necessários à formação técnica do aluno nessa área. O autor, Rodrigo de Melo Porto, engenheiro civil formado pela Esco- la de Engenharia de São Carlos e professor doutor do Departamento de Hidráu- lica v Sancamento desta mesma escola, foi professor de Hidráulica na Unicamp e na Universidade Federal de São Carlos, possui vários trabalhos publicados, tanto de cunho técnico-científico quanto didático. A obra incorpora o resultado de um trabalho sério, dedicado e compe- tente realizado pelo professor Rodrigo, fruto de sua experiência na docência, constituindo-se numa valiosa contribuição ao aperfeiçoamento e melhoria das condições de oferecimento da disciplina Hidráulica nos cursos de Engenharia Civil no país. Prof Dr: Jurandyr Povinelli* = Dixetor da Escola de Engenhauia de São Carlos da USE, couidenador do projeto REENGE/BESC, [oi pre- ão da FESC-USP, chefe do Departamento de Hidráulica e Saneamen- to da EESC-USP e secretário executivo da Comissão de Especialistas do Ensino de Engenharia do Ministério de Educação e dus Desportos P ; PREFÁCIO DA 2: EDIÇÃO Este livro é resultado do convênio firmado entre a CAPES e a Esco- la de Engenharia de São Carlos, através do programa REENGE, para a publicação de uma série de textos, de caráter didático, em Engenharia Civil e Engenharia Flétrica A coleção de livros tem o objetivo fundamental de fornecer apoio aos estudantes das duas especialidades, através de textos que abranjam os principais assuntos cnfocados nas diversas estruturas curriculares das es- colas de engenharia do país, de modo claro « didático, refletindo a expe- riência acadêmica dos autores, e com baixo custo. No caso específico deste volume, procurou-se elaborar um texto que concorresse para a melhoria da formação básica em Hidráulica do estudante dos cursos de Engenharia Civil. Tal formação é absolutamente necessária para que o Engenheiro Civil possa desempenhar seu papel no âmbito do planejamento, projeto e gerenciamento dos mais diversos siste- mas que tratam do uso e controle da água. Procurou-se desenvolver os capítulos de modo a contemplar os prin- cipais aspectos inerentes aos escoamentos em condutos forçados e livres. dentro de uma segiiência e profundidade que se acredita condizente com um curso de Hidráulica Geral em Engenharia Civil, e baseada na experiên- cia de anos de ensino. Pretendeu-se apresentar os tópicos mais fundamentais cm cada as- sunto, de forma cuidadosa e rigorosa, sem, todavia, abusar do tratamento matemático e dando prioridade aos aspectos físicos e práticos da matéria. A estrutura do texto é dividida em duas partes bem distintas: a pri- meira, com seis capítulos, trata do escoamento permanente em condutos forçados; a segunda, com oito capítulos, trata de escoamentos permanente e variável com superfície livre. Seu conteúdo é suficiente para cobrir um curso anual da disciplina, com carga horária de três horas por semana (au- las práticas de laboratório a parte). O aluno com formação básica em Mecânica dos Fluidos pode supri- anir O prim capítulo sobre Conceitos Básicos. Também o último capítu- lo, sobre Escoamento Variável em Canais, pode ser dispensado sem perda do essencial, em virtude da limitação de tempo. Hidráulica Básica Devido à finalidade essencialmente didática da obra, incluiu-se em todos os capítulos uma série de exercícios resolvidos, somando ao todo 82, que espelhassem as características mais típicas dos conceitos discuti- dos em cada assunto, além de um conjunto de 265 problemas propostos, acompanhados das respostas, através dos quais o estudante tem a oportu- nidade de testar os conceitos e utilizar o ferramental disponível em cada tópico. Procurou-se, em algumas aplicações, fazer uso de metodologias computacionais como ferramenta que permite ao aluno, de modo rápido, analisar outros aspectos e alternativas de cada problema proposto. Para isto, no endereço eletrônico www.eesc.sc.usp.br/shs, na área Ensino de Graduação, estão disponíveis quatro programas computacionais nas lin- guagens Basic e Fortran e várias planilhas de cálculos para resolução dos exemplos numéricos. Nesta 22 edição foram feitas pequenas correções no texto e nas res- postas de três problemas. Foram introduzidos quatro novos problemas de aplicação nos capítulos 3, 4, 8 e 12. Uma versão melhorada da planilha MOODY.XLS é apresentada no diretório Bombas do endereço eletrônico www. eese.scusp.br/shs. Quer-se mais uma vez agradecer à todos que auxiliaram com críti- cas, sugestões e apontando as falhas que passaram na 1º edição, e também ao público em geral, que fez a edição anterior deste livro esgotar-se em pouco mais de um ano. São Carlos, março de 2000 XI Hidráulica Básica Devido à finalidade essencialmente didática da obra, incluin-se em todos os capítulos uma série de exercícios resolvidos, somando ao todo 82, que espelhassem as características mais típicas dos conceitos discuti- dos em cada assunto, além de um conjunto de 261 problemas propostos, acompanhados das respostas, através dos quais o estudante tem a oportu- nidade de testar os conceitos e utilizar o ferramental disponível em cada tópico. Procurou-se, em algumas aplicações, fazer uso de metodologias computacionais como ferramenta que permite ao aluno, de modo rápido, analisar outros aspectos e alternativas de cada problema proposto. Para isto, no endereço eletrônico: www. eesc.sc.usp.br/shs, na área Ensino de Graduação, estão disponíveis quatro programas computacionais nas lin- guagens Basic e Fortran e várias planilhas de cálculos para resolução dos exemplos numéricos. São Carlos, dezembro de 1998 SUMÁRIO PARTE |- ESCOAMENTO PERMANENTE EM CONDUTOS CAPÍTULO 141 1.2 1.21 “1.22 1.2.3 13 14 1.5 1.6 CAPÍTULO 2 - ESCOAMENTO UNIFORME EM TUBULAÇÕES . 21 211 21.2 22 22 2.3 24 24.1 24.2 25 2.6 “3 2.6.1 2.6.2 2.6.3 27 2.8 FORÇADOS .... 1 — CONCEITOS BÁSICOS .... Tipos e regimes dos escoamentos.............s Equação da energia Equação do movimento sobre uma linha de corrente Linha de energia e linha piezométrica ............... Equação da energia em tubos de fluxo ............ Análise dimensional aplicada ao escoamento forçado . Velocidade de atrito Potência hidráulica de bombas e turbinas Problemas Tensão tangencial ... Escoamento laminar .. Escoamento turbulento Comprimento de mistura de Prandtl — Distribuições de velocidade . Lei de distribuição universal de velocidade Experiência de Nikuradse . Leis per resistência no escoamento turbulento Escoamento turbulento uniforme em tubos comerciais Fórmulas empíricas para o escoamento turbulento . Fórmula de Hazen-Williams . Comparação entre a fórmula de Hazen- wiliams e a fórmula universal Fórmula de Fair-Whipple-Hsiao Condutos de seção não circular Problemas xr Sumário 5.5 Bombas: tipos, características — Rotação específica . 132 Rotação específica... 5.6 Relações de semelhança . 5.7 Curvas características 5.7.1 Curva característica de uma bomb 5.7.2 Curva característica de uma instalação 5.7.2.1 Sistemas de tubulações em série o paralelo . 5.7.3 Associação de bombas em série e paralelo 5.8 Escolha do conjunto motor-bomba .......... 5.8.1. Instalação, utilização e manutenção 5.9 Cavitação ... 5.9.1 Oftenômeno 5.9.2 N.P.S.H. (Net Positive Suction Head) disponível 5.9.3 N.P.S.H. requerido .. 5.9.4 Determinação da máxima altura estática de sucção 5.9.5 Determinação da pressão atmosférica e da pressão de vapor .. 5.9.6 Coeficiente de cavitação de Thoma. 5.9.7 Aplicabilidade dos dois critérios 5.10 Problemas ....... CAPÍTULO 6 - REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA . 169 6.1. Introdução .. - 189 6.2 Tipos de redes . 169 6.3 Vazão de adução e distribuiç; Prá! 6.4 Análise hidráulica de redes de abastecimento 172 6.5 Métodos de cálculo para o dimensionamento de redes 173 6.5.1 Redes ramificadas 173 6.5.2 Redes malhadas — Método de Hardy Cross . 178 6.6 Aplicação do método de Hardy Cross — O programa REDEM.EXE . 181 6.7 Problemas .184 APÊNDICE 189 Tabela A1.......... 191 Tabela AZ 203 BIBLIOGRAFIA — PARTE LI... e. 217 Xv Hidráulica Básica XVI PARTE II -— CAPÍTULO 7 - ESCOAMENTOS EM SUPERFÍCIE LIVRE..... 74 72 73 74 75 751 7.52 7.6 CAPÍTULO 81 8.2 8.2.1 83 84 84.1 85 ESCOAMENTO PERMANENTE E NÃO PERMANENTE EM CONDUTOS LIVRES Introdução Elementos geométricos dos canais Tipos de escoamentios .... Distribuição de velocidade Distribuição de pressão... Escoamento paralelo Influência da declividade de fundo. Problemas ...... 8-— CANAIS - ESCOAMENTO PERMANENTE E UNIFORME Introdução ... Equações de resistência. Fórmula de Manning .. Os coeficientes Ce n Cálculo de canais em regime uniforme Determinação da altura d'água Seções de mínimo perímetro molhado ou de máxima vazão Trapézio de mínimo perímetro “molhado Reltângulo de mínimo perímetro molhado Elementos hidráulicos da seção circular Canais fechados E Pi Seções circulares . Seções especiais . O programa CANAIS3.EXE Problemas CAPÍTULO 9 - OBSERVAÇÕES SOBRE O PROJETO E CONSTRUÇÃO DE CANAIS 275 9.1 Introdução 275 9.2 Observações gerais 275 9.3 Problemas 283 CAPÍTULO 10 — ENERGIA OU CARGA ESPECÍFICA 287 10.1. Introdução Sa seta aertasedes aee 287 102 CurvasyxEparag=cteeyxqparaF=cte................... 288 XVII Hidráulica Básica 12.12 12121 1213 12.131 12.132 1213.3 12134 1214 1215 12.16 12.161 12.16.2 12.16.3 1247 12.18 12181 12.182 12.19 12.191 12.192 12.193 12.19.4 12.19.5 12.19.6 12.20 Comportas de fundo planas Escoamento afogado . Vertedores . Nomenclatura é e classificaç: Vertedor retangular de parede fina sem contrações Valores do coeficiente de vazão Cs . Influência da contração lateral ..... Vertedor triangular de parede fina ... Vertedor trapezoidal de parede fina Vertedor retangular lateral .. 391 Características do escoamento . ves 891 Equacionamento ... . 392 394 396 Determinação do coeficiente. de descarga Vertedor de soleira espessa horizontal Descarregadores de barragens. Geometria da soleira normal . Variação do coeficiente de vazão com a carga Aplicações Eclusa para navegação Esvaziamento de um reservat: de abastecimento predial .. Derivação de água em projetos de abastecimanh Bacia de detenção em sistemas de controle de cheias urbanas ... Defesa contra inundações Controle de canais por comporta plana vertical Problemas . sam 399 CAPÍTULO 13 - ESCOAMENTO PERMANENTE GRADUALMENTE 131 132 13.3 13.4 13.5 13.6 13.6.1 13.7 13.71 13.8 13.9 VARIADO Generalidades . Equação diferencial do escoamento permanente gradualmente variado ... Classificação dos perfis Perda de carga localizada Singularidades ...... Determinação do perfil Step method ...... Computação do perfil dágua Localização do ressalto hidráulico Formas da superfície da água Problemas gua em canais prismáticos Sumário | XIX CAPÍTULO 14 — ESCOAMENTO VARIÁVEL EM CANAIS 14.1 Introdução . 14.2 Definições . 14.3 Ondas de translação — Escoamento rapidamente variado . 14.3.1 Notação .... 143.2 Altura e velocidade de uma onda 14.3.3 Onda de translação negativa 14.4 Equações hidrodinâmicas 14.4.1 Equação da continuidade . 14.4.2 Equação dinâmica .... meceses 14.5 Simplificações das Equações de Saint 14.5.1 Onda cinemática ........ 14.6 Propagação de cheias em rios 14.6.1 Método Muskingum ............ 14.6.1.1 Determinação das constantes K e x pEsanceeçã 14.7 Métodos numéricos para a resolução das equações de Saint-Venant...... o 14.7.1 Método das características . 14.7.2 Métodos de diferenças finitas 14.7.3 Esquema explícito ......... 14.7.4 Esquema implícito ........ 14.8 O programa ExplicM1.EXE 14.9 Problemas ........... -Venant . 
