DIMENSIONAMENTO HIDROLÓGICO E HIDRÁULICO DE PASSAGENS HIDRÁULICAS ASSISTIDO POR COMPUTADOR

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1 SIMPÓSIO DIMENSIONAMENTO HIDROLÓGICO E HIDRÁULICO DE PASSAGENS HIDRÁULICAS ASSISTIDO POR COMPUTADOR Francisco José Paulos Martins Eng. Civil, Assistente do 1º Triénio Dep. de Engenharia Civil, ESTV António Nascimento Pinheiro Professor Auxiliar DECivil, IST José Antunes Carmo Professor Auxiliar Dep. de Engenharia Civil, FCTUC

2 SIMPÓSIO

3 1 - CONSIDERAÇÕES GERAIS SIMPÓSIO Objectivos do estudo: sistematizar os métodos de dimensionamento hidrológico; sistematizar os métodos de dimensionamento hidráulico; propor uma metodologia de dimensionamento de passagens hidráulicas; elaborar um programa de cálculo automático que permita: i calcular o caudal de ponta de cheia em bacias hidrográficas; i o dimensionamento hidráulico de passagens hidráulicas; i estimar o custo total de passagens hidráulicas; aplicar do programa de cálculo automático a casos de estudo; utilizar o programa de forma sistemática por forma a obter critérios de dimensionamento expeditos a utilizar em estudo prévio.

4 Passagem hidráulica tipo SIMPÓSIO Uma passagem hidráulica é constituída por: estrutura de entrada; conduta (designada por aqueduto); estrutura de saída; estrutura de dissipação de energia (se necessário).

5 Dimensionamento hidrológico SIMPÓSIO Formulações mais utilizados para calcular o caudal de ponta de cheia em bacias hidrográficas de passagens hidráulicas: fórmula racional; método do SCS (Soil Conservation Service) método de Mockus; método de David. Cálculo da intensidade média de precipitação: curvas IDF de Matos e Silva (1986) ou Brandão (1995); curvas IDF características da zona (se existirem registos pluviométricos). Cálculo do tempo de concentração das bacias hidrográficas: fórmula de Kirpich; fórmula de Pickering; fórmula de David; fórmula Temez; fórmula do SCS; fórmula de Temez fórmula de Giandotti; fórmula de Iskowski; fórmula de Pagliaro. fórmula de Kerby; fórmula de Izzard; fórmula Linsley; fórmula de Giandotti.

6 Dimensionamento hidráulico Procedimentos de cálculo mais utilizados : U. S. Bureau of Public Roads (preconizado por BRISA e da JAE); Hydraulic Design Series Nº 5 (recomendado por U.S. Federal Highway Administration); Chow; SIMPÓSIO French; Tipos de escoamentos através de aquedutos: Referência do escoamento I II III V VI Tipo de escoamento Superfície livre Superfície livre Superfície livre Sob pressão Superfície livre Sob pressão Controle do escoamento Montante Jusante Jusante Jusante Montante Jusante Hw / D Tw / D Tw / h c < 1,5 < 1,5 < 1,5 > 1,0 1,5 1,5 1,0 1,0 1,0 > 1,0 1,0 1,0 < 1,0 < 1,0 > 1,

7 Tipos de escoamentos em aquedutos Tipo I Altura crítica à entrada Tipo II Altura crítica à saída SIMPÓSIO Controle à entrada Tipo III Regime lento no aqueduto Controle à saída Tipo Saída submersa Controle à saída Controle à saída Tipo V Regime rápido à entrada Controle à entrada Tipo VI Secção cheia com saída livre Controle à saída

8 Dissipação de energia a jusante das estruturas de saída das passagens hidráulicas: enrocamento de protecção (V < 4,5 m/s); SIMPÓSIO bacia tipo PWD (desenvolvida pelo Public Work Department da Austrália); bacia tipo WES (desenvolvida pelo United States Corps of Engineeres); bacia tipo SAF (Saint Anthony Falls); bacias do tipo III e do USBR (United States Bureau of Reclamation); estruturas de dissipação de energia por impacto (com ou sem blocos de dissipação); estruturas de queda; estruturas de dissipação de energia com degraus; estruturas de dissipação de energia com gabiões; estruturas de dissipação de energia com macrorugosidades.

9 Bacia tipo PWD SIMPÓSIO

10 Bacia tipo WES SIMPÓSIO

11 SIMPÓSIO

12 Dimensionamento técnico económico SIMPÓSIO Quantidades de trabalhos consideradas: volume de escavação para implantação das passagens hidráulicas; comprimento de condutas de betão para cada classe e diferentes diâmetros comerciais; volume de betão armado (C20/25, A400 NR); volume de betão (C16/20) de regularização; volume de enrocamento a jusante da estrutura de saída.

13 Dimensionamento técnico económico Custos totais utilizados no programa para aquedutos de secção circular do tipo A : 45 Classe I SIMPÓSIO Custos (1000 escudos) Diâmetros (m) Classe II Classe III Classe C( Classe I ) = D (R 2 = ) C(Classe II ) = D (R 2 = ) C(Classe III) = D (R 2 = ) C(Classe ) = D (R 2 = )

14 Dimensionamento técnico económico Custos totais utilizados no programa para aquedutos de secção circular do tipo B: SIMPÓSIO Custos (1000 escudos) Diâmetros (m) Classe I Classe II Classe III Classe C(Classe I ) = D (R 2 = ) C(Classe II) = D (R 2 = ) C(Classe III) = D (R 2 = ) C(Classe ) = D (R 2 = )

15 2 - PROGRAMA DE CÁLCULO AUTOMÁTICO SIMPÓSIO SUB-PROGRAM A QPONTA Dimensionamento Hidrológico PROGRAM A PRINCIPAL HIDROPAS Dimensionamento Hidrológico e Hidráulico de Passagens Inferiores Rodoviárias para Águas Pluviais DIMENSIONAMENTO COMPLETO QPONTA Selecção do tipo de dim ensionamento ESTIM A SUB-PROGRAM A ESTIMA Dimensionamento Técnico-Económico HIDCALC Fim da Simulação Saída de Resultados Memória descritiva SUB-PROGRAM A HIDCALC Dimensionamento Hidráulico

16 Módulo QPONTA: SUB-PROGRAM A QPONTA Dimensionam ento Hidrológico N ão Cálculo do Tempo de concentração Introdução de dados: - área da bacia; - coeficiente de escoamento; - Núm ero de escoam ento. Sim Tcentra Introdução de dados: - comprimento do curso ou linha de água principal; - diferença de cotas entre as extremidades da bacia SIMPÓSIO Tempo de concentração Fórmula de Iskowski Iskowski Fórmula de Forti Forti Fórmula de Pagliaro Pagliaro Expressão de Schaake Tschaak Expressão de Linsley Tlinsl Expressão de Kerby Ttemez Expressão de Pickering Tkerb Expressão de Izzard Tizzard Cálculo da intensidade m édia de precipitação IDF Caudal de ponta de cheia Metodologia de cálculo M etodologia de cálculo Estudo comparativo QDim Método Racional Racion Método do SCS SCS Método de David David Método de Mockus Mockus Método de Giandotti Giandot Método de Loureiro Loureiro Estudo comparativo Tcentra1 Expressão do SCS Tscs Expressão de Giandotti Tgiandot Expressão de Temez Ttemez Expressão de Pickering Tpick Expressão de Kirpich Tkirp Expressão de David Tdavid C auda l d e ponta d e ch eia

17 Módulo HIDCALC: Circular SUB-PROGRAM A HIDCALC Dimensionamento Hidráulico Introdução de dados: - caudal de dimensionamento(q d ), se diferente do caudal de ponta de cheia; - altura máxima de água a montante (Hw máx ); - coeficiente de perda de carga na estrutura de entrada do aqueduto (k e ); - coeficiente de rugosidade de M anning (n); - comprimento do aqueduto (L); - cota de soleira à entrada e a jusante do aqueduto (Z 1 e Z 2 ). Secção circular (C) ou rectangular (R) Rectangular Pré-dimensionamento do diâmetro para o caudal de dimensionamento. (Fórmula de M anning-strickler) Pré-dimensionamento da secção para o caudal de dimensionamento. (Fórmula de M anning-strickler) SIMPÓSIO Escolha do diâmetro do aqueduto Diâmetros comerciais com interesse técnico-económico: 0,60 0,80 1,00 1,20 1,50 1,80 (m) Cálculo do perfil da superfície livre Cregolf (De montante para jusante) Alterar a geometria Sim Montante Cálculo da altura crítica (h c ) Rcrítico Cálculo da altura uniforme (h u ) Runiform Controle do escoamento Altura de água a montante (Hw) Altura de água a jusante (Tw) Hw/D > 1,50 e contr. a jusante Hw/D > 1,00 e Tw/D > 1,00 Hw > Hw max Tw > Tw max Não N ão Dissipação de energia Dissip Jusante Escolha da largura do aqueduto (Secção com interesse técnicoeconómico quando o diâmetro da secção circular é superior a 1,50 m) Cálculo do perfil da superfície livre Cregolf (De jusante para montante) Cálculo da perda de carga total no aqueduto (H) Sim Esc. sob pressão Pressão Secção do aqueduto, alturas de água Hw e Tw e dimensões do tapete de enrocamento

18 Módulo ESTIMA: SUB-PROGRAM A ESTIMA Dimensionamento Técnico-económico Leitura de dados anteriores: - diâmetro ou altura do aqueduto; - comprimento do aqueduto; - volume do tapete de enrocamento SIMPÓSIO Circular Classe do aqueduto (Classe I, II, III ou ) Tipo de aqueduto (Tipo A ou B) Quantificação do custo (metro linear) Tipo de secção: circular (C) rectangular (R) Custo total das condutas Tipo de estruturas de entrada e saída (quantificação de custos) Dissipação de energia (quantificação de custos) Estimativa de custos Rectangular Pré-dimensionamento estrutural (Volume de betão armado) Quantificação do custo (metro linear)

19 SIMPÓSIO 3 - CONSIDERAÇÕES FINAIS A análise bibliográfica mostrou serem de aplicação corrente em Portugal diversos métodos para determinação de caudais de ponta de cheia em bacias hidrográficas de passagens hidráulicas, sendo o de maior divulgação o baseado na fórmula racional. Os resultados dos diferentes métodos nem sempre são similares, pelo que, em casos de aplicação, uma análise comparativa de diversos métodos (Temez, David, SCS, Mockus e fórmula racional) se julga necessária. Neste contexto, a automatização dos procedimentos de cálculo de diversos métodos torna-se aconselhável face ao elevado número de passagens hidráulicas a que o traçado das vias de comunicação obriga.

20 SIMPÓSIO 3 - CONSIDERAÇÕES FINAIS (continuação) Os diferentes tipos de escoamento apresentados poderão obrigar a cálculos trabalhosos, pelo que também neste domínio se justifica a elaboração de um programa de cálculo automático que permita analisar diversas soluções. O programa de cálculo automático HIDROPAS, elaborado no âmbito da dissertação de mestrado que o 1º autor se encontra a elaborar sob orientação dos restantes autores, permite dar resposta ao exposto nas considerações anteriores. Permite ainda, elaborar para cada uma das soluções consideradas a respectiva estimativa de custo. O programa HIDROPAS constitui assim um instrumento simultaneamente potente e expedito de dimensionamento técnico-económico de passagens hidráulicas, sendo também passível de utilização extensiva de modo a obter resultados gerais aplicáveis em fases de pré-dimensionamento.

21 A análise, desenvolvida até à presente data, de casos de estudo em projectos de drenagem transversal, efectuados para a BRISA e JAE, permite concluir: SIMPÓSIO para bacias hidrográficas com área inferiores a 5 ha, os caudais de pontas de cheia são normalmente sobreavaliados devido ás elevadas intensidades médias de precipitação resultantes de pequenos tempos de concentração. Deste modo, sugere-se que o tempo de concentração mínimo seja limitado a 5 minutos; as fórmulas que se mostraram mais adequadas para calcular o tempo de concentração em bacias hidrográficas de passagens hidráulicas são as fórmulas de Kirpich, Pickering e David; os caudais de ponta de cheia resultantes da aplicação da fórmula racional nem sempre são similares, pois a escolha do coeficiente de escoamento é geralmente descuidada e pouco rigorosa;

22 os métodos do SCS (Soil Conservation Service) e de Mockus são os que se mostraram mais adequados para calcular os caudais de ponta de cheia nas bacias de passagens hidráulicas; SIMPÓSIO utilizando o módulo HIDCALC no dimensionamento hidráulico de aquedutos, obtêm-se resultados similares aos dos projectos analisado, para os mesmos caudais de ponta; as estruturas de dissipação de energia só são utilizadas quando não é possível reduzir a velocidade à saída dos aquedutos, para valores inferiores a 4,5 m/s, recorrendo ao aumento de secções ou redução dos declives dos aquedutos.