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Sistema para Cálculos de Componentes Hidráulicos
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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Versão 1. Maio, 2019
O conteúdo e as especificações do programa podem estar sujeitos a alterações sem aviso prévio. A Pimenta de Ávila e a UFMG se reservam o direito de alterar e atualizar sem aviso prévio.
Diretoria da Joaquim Pimenta de Pimenta de Ávila Ávila Cristiano Vieira deÁvila
Departamento de Hidráulica eEngenharia Recursos Hídricos Márcio Benedito Baptista
Gladstone Rodrigues^ Coordenação Alexandre Elaboração do Josiane Marinho texto Barcelos Orientação e Revisão do Texto Márcio Benedito Baptista Gladstone RodriguesAlexandre
Lista de Símbolos ............................................................................ Índice de Figuras ............................................................................. Índice de Tabelas ............................................................................ Apresentação ................................................................................... Instalação e Desinstalação do SisCCoH ....................................... 1 INTRODUÇÃO ..................................................................... 2 CONDUTOS FORÇADOS ................................................... 2.1 Condutos Simples........................................................... 2.1.1 Escoamento permanente ......................................... 3 ESCOAMENTOS LIVRES ................................................... 3.1 Máxima eficiência .......................................................... 3.2 Seções Regulares ............................................................ 3.2.1 Uniforme ................................................................. 3.2.2 Crítico ..................................................................... 3.2.3 Variado .................................................................... 3.2.4 Canais em Enrocamento ......................................... 4 ESTRUTURAS HIDRÁULICAS ......................................... 4.1 Bueiros ........................................................................... 4.2 Escoamento em Degraus ................................................ 4.2.1 Regime de Escoamento em Degraus....................... 4.2.2 Regime Nappe Flow ............................................... 4.2.3 Regime Skimming Flow ......................................... 4.2.4 Canais em Trechos Distintos .................................. 4.2.5 Quedas Singulares ................................................... 4.3 Bacias de dissipação por Ressalto Hidráulico ................ 4.4 Bacias de dissipação em enrocamento ........................... 5 SINGULARIDADES ............................................................ 5.1 Confluência de Canais .................................................... 5.2 Curvas em Canais ...........................................................
Alexandre, Gladstone Rodrigues. Baptista, Márcio Benedito. Barcelos, Josiane Marinho. Manual Técnico do SisCCoH / Gladstone Rodrigues Alexandre. Márcio Benedito Baptista, Josiane Marinho Barcelos. –
g Aceleração da gravidade (adotada igual a 9,81 m/s²) Hd Altura da descida em degraus (m) Hdam Altura total da queda (m) He Altura do escoamento não uniforme (m) H dissip Energia dissipada (m) Hmáx Energia máxima (m) H parede,mín,sem ressalto Altura da parede mínima sem formação de ressalto (m) H parede,mín,com ressalto Altura da parede mínima com formação de ressalto (m) H r,completo Energia residual com ressalto completo (m). H r,parcial Energia residual com ressalto parcial (m) Hw Altura do muro da escada (m) ho Altura acima do centro de gravidade (m) I Declividade do fundo do canal (m/m) hs Profundidade da linha d’água (m) I c, celular Declividade crítica para bueiro celular (m/m) I c, tubular Declividade crítica para bueiro tubular (m/m) J Declividade da energia total (m/m) k Rugosidade na superfície da calha L Comprimento (m) LA Comprimento da aproximação da bacia de dissipação (m) La Posição de início da aeração (m) Ls Comprimento da bacia de dissipação (m) LIV Comprimento da bacia de dissipação tipo IV(m) L’ Semitrecho linear da sobrelevação (m) Q Vazão (m³/s) Ld Comprimento da queda (m)
Q adm,celular,o Vazão admissível no bueiro celular funcionando como orifício (m³/s) Q adm,celular, subcri Vazão admissível no bueiro celular no regime subcrítico (m³/s) Q adm, celular,supercri Vazão admissível no bueiro celular no regime supercrítico (m³/s) Q adm ,tubular,o Vazão admissível no bueiro tubular funcionando como orifício (m³/s)
Q adm, tubular ,subcri Vazão admissível no bueiro tubular no regime subcrítico (m³/s) Q adm, tubular,supercri Vazão admissível no bueiro tubular no regime supercrítico (m³/s) qd Vazão específica (m³/s.m) Q o Vazão transportada em funcionamento como orifício (m³/s) Rh Raio hidráulico (m) S Altura do degrau (m)
㐶 (^) yS⤓ 㑀 ⤃
Limite superior do regime Skimming Flow
㐶 (^) yS ⤓
⢆
Limite entre regimes do tipo A e B do Skimming Flow
U Velocidade (m/s). Ucelular,o Velocidade no bueiro celular funcionando como orifício (m/s) Ucelular, subcri Velocidade no bueiro celular no regime subcrítico (m/s). Ucelular,supercri Velocidade no bueiro celular no regime supercrítico (m/s) Usaída Velocidade de saída (m/s) Utubular, o Velocidade no bueiro tubular funcionando como orifício (m/s) Utubular,subcri Velocidade no bueiro tubular no regime subcrítico (m/s) Utubular ,supercri Velocidade no bueiro tubular no regime supercrítico (m/s) Vcra Velocidade crítica de cavitação (m/s) WB Espessura na saída da bacia (m) W 0 Largura do riprap (m) Ya Profundidade de início da aeração (m) y 1 , D 1 Profundidade conjugada a montante(m) y 2 , D 2 Profundidade conjugada a jusante(m) y 3 Profundidade na saída da bacia (m) yc Profundidade crítica (m) y0,9 Profundidade normal para a concentração de ar igual a 0,9 (m) z Declividade lateral (m/m) α Coeficiente de Coriolis β Coeficiente de Boussinesq, ângulo da onda em confluência de canais (°)
canais em curva, confluência de canais e estruturas hidráulicas como bacias de dissipação e canais em enrocamento. Bernardo foi orientado por Gladstone Alexandre, Felipe Figueiredo e Lucas Brasil.
Participaram do desenvolvimento, numa parceria entre a UFMG e a Pimenta de Ávila, os professores Márcio Benedito Baptista e Márcia Maria Lara Pinto Coelho, engenheiros civis e doutores em Engenharia de Recursos Hídricos e Hidráulica, respectivamente; Gladstone Alexandre e Lucas Brasil, engenheiros civil e mestres em Engenharia de Recursos Hídricos; José Luiz Teixeira Garcia Filho e Bernardo Mourão Filho, ambos graduandos em Ciência da Computação em 2014; e Josiane Marinho Barcelos, graduanda em Engenharia Civil, incorporou-se ao projeto em 2018.
Atualmente, o software 1.1 do SisCCoH foi atualizado para a versão 1.1 por Josiane Marinho Barcelos, incorporando adequações ao programa e manual técnico, utilizando a linguagem VB.NET no compilador Visual Studio 2015, sob orientação de Gladstone Alexandre e Márcio Baptista.
A Tabela 1 resume o histórico do programa e suas principais características:
Tabela 1 – Síntese do Histórico do Programa
Ano Programador (a) Nome/ Versão Linguagem de Programação
2019 Josiane Barcelos SisCCoH 1.
Visual Basic .NET (Visual Studio 2015), para ambiente Windows
2014 Bernardo Mesquita^ SisCCoH^ 1.
Visual Basic .NET (Visual Studio 2008 Professional Edition), para ambiente Windows
2009 Gladstone Alexandre
HIDROwin 2.1 Visual Basic 6.0, para ambiente Windows (Continua...)
(Continuação)
Conforme apresentado anteriormente, é possível perceber a participação ao longo de vinte e seis anos de diferentes profissionais, com a finalidade de desenvolver o SisCCoH para consulta, utilização para fins acadêmicos, bem como daqueles profissionais que se interessarem em utilizar a ferramenta para solucionar problemas no dimensionamento dos componentes hidráulicos.
Ano Programador (a) Nome/ Versão Linguagem de Programação
2005 GladstoneAlexandre HIDROwin 2.0 Visual Basic 6.0, para ambienteWindows
2001 e 2002
Francisco Eustáquio HIDROwin Visual Basic 6.0, para ambienteWindows
1994 e 1995
Marcelo Medeiros e Márcio Cândido HIDRO 1^ FORTRAN, para ambiente DOS
1992 Márcio Resende e P. Lima
HIDRO FORTRAN, para ambiente DOS
O programa SisCCoH é uma ferramenta computacional que permite o dimensionamento de diversos componentes hidráulicos, tais como: condutos forçados, canais em calha lisa, canais em degraus, canais em enrocamento, curvas em canais, confluência de canais, bacias de dissipação, bueiros, dentre outros.
A versão 1.1 do SisCCoH está agrupada nas seguintes tipologias de estruturas hidráulicas: Condutos Forçados , Escoamentos Livres , Estruturas Hidráulicas e Singularidades.
Em Condutos Forçados , é possível calcular variáveis como velocidade, perda de carga unitária, vazão, velocidade e diâmetro de condutos simples, desde que informado os dados necessários para o programa. Os cálculos para condutos compostos estão em desenvolvimento para lançamento em futuras versões.
No item Escoamentos Livres , a versão atual disponibilizou para o usuário os módulos de Máxima Eficiência e Seções Regulares que calcula parâmetros do escoamento uniforme, crítico, variado e canais em enrocamento.
Em Estruturas Hidráulicas , o SisCCoH auxilia no dimensionamento de Bueiros , Escoamento em Degraus e Bacias de Dissipação por Ressalto Hidráulico e por Enrocamento. Quanto ao Escoamento em Degraus , o programa apresenta-se como uma importante ferramenta para a caracterização do regime de escoamento em degraus ( Nappe Flow , em transição ou Skimming Flow ) além de permitir o cálculo de canais em trechos distintos e de quedas singulares.
E, por fim, em Singularidades , o SisCCoH auxilia no cálculo de Confluência de Canais e dimensionamento de Curvas em Canais.
O SisCCoH apresenta-se como uma alternativa para cálculos de estruturas hidráulicas, a fim de otimizar etapas de cálculo no dimensionamento de componentes hidráulicos.
Atualmente, o programa SisCCoH 1.1 possui 14 módulos habilitados para cálculos hidráulicos. Na continuidade do projeto SisCCoH pretende-se incorporar mais 15 novos módulos, conforme indicado na Figura 1.1.
Figura 1.1 - Arquitetura do Programa SisCCoH. Conforme mostrado na Figura 1.1, os módulos habilitados na versão 1.1 são: escoamento permanente de condutos simples; escoamentos livre uniforme, crítico e variado para as seções regulares; seção de máxima eficiência; bueiros; regime de escoamento em degrau, regime Nappe Flow, regime Skimming Flow, canais com trechos distintos; e quedas singulares; bacias de dissipação por ressalto hidráulico e por enrocamento, confluência de canais e curvas em canais. Nos próximos tópicos serão apresentadas as principais funcionalidades dos módulos habilitados na versão 1.1 do software SisCCoH.
(Continuação)
Variáveis Equação de Hazen-Williams Equação Universal
Diâmetro e Velocidade
Vazão (m); Perda de carga unitária (m/m) Coeficiente de perda de carga C
Vazão (m); Perda de carga unitária (m/m) Aspereza relativa ( mm ) Viscosidade cinemática ( m²/s )
Vazão e Diâmetro
Velocidade (m/s) Perda de carga unitária (m/m) Coeficiente de perda de carga C
Velocidade (m/s) Perda de carga unitária (m/m) Aspereza relativa ( mm ) Viscosidade cinemática ( m²/s )
A seguir é apresentado uma aplicação no SisCCoH para o cálculo de um conduto simples.
Exemplo 2.1: Cálculo de Conduto Simples Uma adutora de 400 mm diâmetro e de 1 km de extensão fornece uma vazão de 100 l/s por meio de uma tubulação de concreto. Determine a velocidade e a perda de carga.
Acessando o menu Condutos Forçados , seguido por Condutos Simples e Escoamentos Permanentes pode-se digitar os dados. Os itens marcados com interrogação apresentam dicas para o cálculo.
Figura 2.1 - Conduto Forçado Simples em regime de escoamento permanente.
A figura anterior mostra a entrada de dados no programa. É possível selecionar as opções desejadas, digitar os valores dos dados e, em seguida, calcular as variáveis desejadas. Na aba Resultados são exibidos alguns dos resultados e o Software permite informar o comprimento do trecho para cálculo da perda de carga total que é exibido no canto inferior direito.
O relatório, apresentado a direita na Figura 2.1, exibe os resultados e uma opção para a exportação para o Excel. Para concluir, basta clicar em Terminar e então o programa exibirá a tela principal que contém os menus principais.
A Tabela 3.1 apresenta os aspectos da geometria para cada tipo de seção, além da profundidade normal e a área para uma verificação preliminar. Naturalmente, algumas condições de contorno como localização e elementos do projeto podem inviabilizar a sua aplicação prática.
A seguir é apresentado um exemplo com o tipo de seção circular.
Exemplo 3.1: Cálculo de seção triangular em condição de máxima eficiência Determine os parâmetros hidráulicos de uma seção circular, na condição de máxima eficiência, em que a vazão é 5 m³/s, a declividade longitudinal igual a 0, m/m e a seção é revestida com concreto pré-moldado.
Figura 3.1 - Dados e Resultados para condição de Máxima Eficiência Acessando o menu Escoamentos Livres e em seguida Máxima Eficiência , foi calculado os parâmetros hidráulicos da seção triangular. A esquerda é exibida a aba da entrada de dados e a direita a dos resultados. O SisCCoH calcula apenas quantitativos de projetos para seções retangulares, trapezoidais e triangulares. A Figura 3.2 exibe os dados de quantitativos de projeto e o Relatório que resume os dados de entrada, resultados e os quantitativos de projeto.
Figura 3.2 - Quantitativos e Relatório para condição de Máxima Eficiência A área superficial calculada foi a interna equivalente a largura superficial em (m²/m), a área do revestimento foi considerada igual ao perímetro molhado (m²/m), desconsiderando a borda livre. E o volume de corte considerou a área molhada da seção (m³/m) sem considerar a espessura do revestimento, nem eventual corte a ser efetuado, como, por exemplo, aquele a ser executado por limitação do ângulo da lâmina da escavadeira durante o corte ou de áreas extras necessárias para a execução da fôrma.
3.2 Seções Regulares 3.2.1 Uniforme No escoamento uniforme as velocidades e a profundidade se mantêm ao longo do canal e são retilíneas e paralelas ao fundo.
A janela Seções Regulares pode ser acessada no menu Escoamentos Livres , Seções Regulares e em seguida em Uniforme. Neste módulo, seleciona-se a variável desejada (profundidade, a rugosidade de Manning, a vazão ou a declividade) utilizando- se outros dados para o regime de escoamento uniforme.
Ao acessar o módulo, na aba Dados será requisitado o tipo de seção e a variável a ser calculada. Caso seja dada a relação máxima Y/D da seção, opcionalmente, pode ser digitada o valor da relação selecionando o campo na região Parâmetro opcional para seção circular , depois de selecionada a geometria do tipo circular na região Tipo de seção.
