Trabalho - Final - Comportas e Vertedores
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UNIVERSIDADE FEDERAL DOS VALES DO JEQUITINHONHA E MUCURI CAMPUS DO MUCURI INSTITUTO DE CIÊNCIA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA COMPORTAS E VERTEDORES ALTAMIRO JUNIO MENDES SILVA DANILO BENTO ELIONARDO VIEIRA DE FARIAS ELIONE VIEIRA DE FARIAS GLEDSA ALVES VIEIRA MARCOS CALDEIRA DE BARROS
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UNIVERSIDADE FEDERAL DOS VALES DO JEQUITINHONHA E MUCURICAMPUS DO MUCURI
INSTITUTO DE CIÊNCIA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA
COMPORTAS E VERTEDORES
ALTAMIRO JUNIO MENDES SILVA
DANILO BENTO
ELIONARDO VIEIRA DE FARIAS
ELIONE VIEIRA DE FARIAS
GLEDSA ALVES VIEIRA
MARCOS CALDEIRA DE BARROS
TEÓFILO OTONI – MG
2012
UNIVERSIDADE FEDERAL DOS VALES DO JEQUITINHONHA E MUCURICAMPUS DO MUCURI
INSTITUTO DE CIÊNCIA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA
ALTAMIRO JUNIO MENDES SILVA
DANILO BENTO
ELIONARDO VIEIRA DE FARIAS
ELIONE VIEIRA DE FARIAS
GLEDSA ALVES VIEIRA
MARCOS CALDEIRA DE BARROS
COMPORTAS E VERTEDORES
Trabalho apresentado à disciplina EHD-150 – Instalações e Equipamentos Hidráulicos I, do Curso Superior de Engenharia Civil, da Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri, Campus do Mucuri, para obtenção de nota, sob orientação do Prof. José Aparecido Leite
Teófilo Otoni-MGMAIO DE 2012
SUMARIO
1. INTRODUÇÃO........................................................................................................3
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA................................................................................4
2.1. Histórico (de acordo com CHANSON 1995).....................................................4
2.2. Regimes de escoamento em vertedouros em degraus.........................................6
2.2.1. Regime de escoamento em quedas sucessivas (nappe flow)..................................6
2.2.2. Início do regime de escoamento deslizante............................................................6
2.3. Posição do início da aeração no escoamento......................................................7
3. COMPORTAS..........................................................................................................9
3.1. Definição.............................................................................................................9
3.2. Funcionalidade....................................................................................................9
3.3. Composição........................................................................................................9
3.4. Acionamento.....................................................................................................13
3.5. Tipos de Comportas..........................................................................................13
3.5.1. Comporta Gaveta..................................................................................................13
3.5.2. Comporta Vagão...................................................................................................14
3.5.3. Comportas Stop-log(Ensecadeira)........................................................................15
3.5.4. Comportas Segmento...........................................................................................16
3.5.5. Comporta lagarta..................................................................................................17
3.5.6. Comporta Stoney..................................................................................................17
3.5.7. Comporta tambor..................................................................................................18
3.5.8. Comporta Basculante...........................................................................................19
3.5.9. Comporta Rolante.................................................................................................19
3.5.10. Comporta Cilíndrica.............................................................................................20
3.5.11. Comporta Mitra....................................................................................................21
3.5.12. Comporta Telhado................................................................................................22
3.5.13. Comporta Visor....................................................................................................23
3.5.14. Comporta Mista....................................................................................................23
3.5.15. Comporta Múltipla...............................................................................................24
4. VERTEDORES......................................................................................................25
4.1. Definição e Aplicação.......................................................................................25
4.2. Terminologia.....................................................................................................26
4.3. Emprego dos vertedores na determinação da vazão.........................................27
4.4. Classificação dos vertedores.............................................................................27
4.5. Vertedores Retangulares De Parede Delgada e Sem Contrações.....................29
4.6. Fórmulas Práticas..............................................................................................31
4.7. Influência das Contrações.................................................................................33
4.8. Vertedor Trapezoidal de Cipolleti....................................................................33
4.9. Vertedor Triangular..........................................................................................34
4.10. Vertedor Circular..........................................................................................35
4.11. Vertedor de Soleira Espessa..........................................................................35
4.12. Vertedores Laterais.......................................................................................36
4.13. Vertedor de Crista de Barragem....................................................................37
4.14. Dimensionamento de vertedores...................................................................38
5. CONCLUSÃO........................................................................................................39
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................................40
1. INTRODUÇÃO
A cada dia a hidráulica tem ocupado relevante espaço na engenharia nos
mostrando como é importante o conhecimento na área, sendo responsável por
inúmeros avanços na indústria, construções e máquinas em geral.
Sabendo desta importância em dominar este ramo da ciência, este
trabalho propõe uma discussão sobre tipos e dimensionamentos de comportas e
vertedouros.
De maneira simples, uma comporta pode ser entendida como um
equipamento que permite o controle da vazão de água em reservatórios, válvulas
e represas.
Pode ser aplicada em diversos campos da engenharia hidráulica. A
proteção e manutenção de equipamentos, o controle de nível e a limpeza de
reservatórios, a regularização de vazões em barragens, a instalação em tomadas
d’água para usinas hidrelétricas e em obras de abastecimento d’água são
exemplos de emprego desse equipamento. Justificando assim a importância de
estudos sobre o assunto.
Basicamente, a comporta é formada por três elementos principais:
tabuleiro, peças fixas e mecanismo de manobra.
Vertedouro é uma estrutura hidráulica que pode ser utilizada para
diferentes finalidades, como medição e controle de vazão, sendo sua principal
finalidade conduzir o escoamento excedente do reservatório de maneira segura,
impedindo o galgamento da barragem com a passagem de vazões extremas.
Podem ser definidos como paredes, diques ou aberturas sobre as quais
um líquido escoa.
As comportas e vertedouros possuem grande importância sob o ponto de
vista de segurança das barragens e representam uma porcentagem significativa
do custo total da obra, justificando a definição do tipo de equipamento que
deverá ser utilizado como uma das principais diretrizes do projeto.
A escolha da estrutura adequada deve levar em conta as características e
condições físicas, geológicas e hidrológicas do local de sua implantação,
garantindo assim maior eficiência, segurança e economia.
3
O presente artigo tem como objetivo mostrar os tipos e
dimensionamentos de Comportas e Vertedouros bem como suas características
para uma melhor aplicação.
4
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Histórico (de acordo com CHANSON 1995)
Os vertedouros em degraus começaram a ser utilizados na Antigüidade
pela simplicidade da forma, estabilidade da estrutura e já com objetivos de
dissipação de energia. Observa-se, ao longo da história, que a técnica de canais
em degraus, foi desenvolvida de forma independente em muitas civilizações
antigas. Pressupõe-se que o mais antigo vertedouro em degrau tenha sido
utilizado em uma barragem na Arkananian, Grécia, construído por volta de
1.300 a.C (CHANSON ET al. 2002). Este vertedouro apresentava 10,5 m de
altura, 25 m de largura, declividade média de aproximadamente 45°, variando
entre 39° e 73°, com degraus entre 0,6 e 0,9 m de altura. A estrutura deste
vertedouro foi construída em blocos de pedra e ainda encontra-se em pé (Figura
1).
Figura 1- Barragem na Arkananian, Grécia (1300 a.C.).
Fonte: CHANSON (2003)
Outros vertedouros e barragens em degraus, bastante antigos, foram
construídos no Oriente Médio, no Rio Khosr (694 a.C.), no Iraque. Mais tarde,
os Romanos construíram diversos vertedouros em degraus no seu Império, sendo
que alguns ainda podem ser encontrados na Líbia, Síria e Tunísia. Após a queda
do Império Romano, os muçulmanos construíram algumas destas estruturas no
Iraque e na Espanha. Com a reconquista da Espanha, os espanhóis projetaram
5
alguns vertedouros em degraus (nas barragens Almansa, Alicante, Barrueco e
Abajo), e em 1791 construíram o maior vertedouro em degraus até então, na
barragem de Puentes, mas em 1802 ela foi destruída por uma cheia. Observa-se
uma forte influência espanhola nos vertedouros em, degraus encontrados na
França, México e Estados Unidos.
No século XVII, os engenheiros franceses começaram a projetar diversos
canais e cascatas em degraus. No México existem várias barragens em degraus,
que datam dos séculos XVIII e XIX. Durante o período 1800-1920, as barragens
de madeira foram muito populares na América, Austrália e Nova Zelândia e
muitas destas barragens eram construídas em degraus, aumentado a capacidade
de vazão e minimizando os danos. No início do século XX, as estruturas em
degraus passaram a ser projetadas especificamente para maximizar a dissipação
de energia ao longo da calha e consequentemente, diminuir a estrutura de
dissipação a jusante. O vertedouro da barragem de New Croton (1906), com
90,5 m de altura, declividade de 53°, e degraus com altura de 2,13 m, é
provavelmente, o primeiro vertedouro em degraus projetado neste conceito
(Figura 2).
Figura 2- Barragem de New Croton (1906).
Fonte: CHANSON ,2003
Acredita-se que desde a Antigüidade a existência dos degraus na calha de
vertedouros associava-se além da estabilidade do maciço e facilidade de
execução, a menores velocidades e menores desgastes na estrutura. Mas
informações quantitativas sobre as propriedades do escoamento, começaram a
surgir somente na década de 70, do século passado. A partir deste período, os
engenheiros e pesquisadores recuperaram o interesse por vertedouros em
6
degraus, devido à introdução de novos materiais e técnicas construtivas
relacionadas ao CCR e às estruturas em gabiões, que otimizaram a construção
destas estruturas.
2.2. Regimes de escoamento em vertedouros em degraus
O escoamento sobre vertedouros em degraus pode ser dividido em dois
regimes: o regime de escoamento em quedas sucessivas (nappe flow); e o regime
de escoamento deslizante sobre turbilhões (skimming flow). Os termos
‘escoamento em quedas sucessivas’ e ‘escoamento deslizante sobre turbilhões’
já foram utilizados por MATOS e QUINTELA (1995), e este texto segue esta
denominação proposta.
Existe uma zona de transição entre estes dois tipos de escoamento, que
apresenta características mistas dos dois regimes, mas não bem definidas.
2.2.1. Regime de escoamento em quedas sucessivas (nappe flow)
De acordo com CHANSON (1994a) o regime de escoamento em quedas
sucessivas caracteriza-se por uma sucessão de quedas livres seguidas por
ressalto hidráulico plena ou parcialmente desenvolvido.
No regime de escoamento em quedas sucessivas, a dissipação de energia
ocorre na quebra do jato de água no ar e na formação do ressalto hidráulico.
CHANSON (1995a), considerada que pode ser observado o regime de
escoamento em quedas sucessivas sem a formação de ressaltos hidráulicos,
imediatamente antes do início do escoamento deslizante.
O regime de escoamento em quedas sucessivas ocorre em vertedouros
com menores declividades e menores vazões (características melhor definidas no
item 2.2.2).
2.2.2. Início do regime de escoamento deslizante
7
CHANSON (1994a), com base em dados experimentais de outros
pesquisadores
(ESSERY e HORNER, 1978, PEYRAS et al.,1991 e BEITZ e LAWLESS, 1992),
propôs que o regime de escoamento deslizante ocorre para vazões maiores que um valor
crítico, definido por uma profundidade crítica, hc, dada por:
onde: H é a altura do degrau, l é a base do degrau (Figura 3) e hc é a profundidade
crítica característica.
Ressalta-se que a equação (2.1) foi definida com base em dados obtidos
em modelos com declividades variando entre 11º e 51,3º (H/l entre 0,2 e 1,3).
Figura 3- Dimensões básicas da calha em degraus: (a) degraus horizontais e (b) degraus
inclinados.
2.3. Posição do início da aeração no escoamento
Segundo CAMPBELL et al. (1965), nos escoamentos sobre vertedouros
de calha lisa existe um ponto crítico, onde a camada limite atinge a superfície
livre e este corresponde ao ponto de início da aeração. A superfície do
escoamento a jusante deste ponto caracteriza-se pela irregularidade.
Nos vertedouros em degraus também observa-se esta configuração
básica, no entanto, segundo BINDO et al. (1993), a macroturbulência criada
pelos degraus no escoamento favorece o desenvolvimento da camada limite,
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sendo que neste caso a sua espessura aumenta muito mais rapidamente do que
em uma calha lisa.
CHANSON (1994c), distingue três diferentes regiões ao longo da calha
em degraus (Figura 2.8), para o escoamento em regime deslizante:
- zona sem aeração do fluxo: ocorre no trecho inicial da calha, no interior do
qual desenvolve-se a camada limite, até esta atingir a superfície livre, ponto a
partir do qual inicia o processo de aeração natural do escoamento;
- zona de escoamento gradualmente variado: esta região de escoamento é
caracterizada por fluxos aerados com concentrações de ar variáveis ao longo da
calha;
- zona de escoamento uniforme: região onde, para uma mesma vazão, tem-se
um escoamento com profundidades, concentração de ar e distribuições de
velocidades constantes. Neste regime de escoamento verifica-se uma
profundidade uniforme do escoamento (hn).
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3. COMPORTAS
3.1. Definição
De acordo a NBR 7259 – comportas são dispositivos mecânicos usados
para controlar vazões hidráulicas em qualquer conduto livre ou forçado e de cuja
estrutura o conduto é independente para sua continuidade física e operacional.
Uma segunda definição seria: comporta hidráulica é um elemento do
sistema de controle artificial de vazão de água de rios e bacias, para fins de
geração de energia elétrica, de agricultura, de lazer e para impedir inundações.
(MARTINS, 2011).
3.2. Funcionalidade
A principal função de uma comporta é regular um fluxo de água com um
determinado objetivo: agrícola, proteção contra enchentes, emergências, controle
na geração de energia hidrelétrica, desvio de rios, tomadas d’água, eclusas,
limpeza e controle de nível de reservatórios, dentre outros. Concentrar-se-á aqui
no uso de devidos equipamentos na geração de energia em usinas hidrelétricas.
3.3. Composição
Uma comporta é composta basicamente por três partes: tabuleiro, peças
fixas e mecanismo de manobra. O tabuleiro, parte principal, é um elemento que
impede a passagem da água. Este é composto de vigamento e paramento. O
paramento é o responsável pela barragem da água, através de uma chapa de
revestimento. A vedação é possível através de componentes de borracha. Junto
ao tabuleiro também estão presentes outros elementos, como rodas, roletes,
cutelos, sapatas, guias, molas, entre outros. As peças fixas ficam embutidas no
concreto e conduzem o tabuleiro, além de alojá-lo, mover para o concreto cargas
atuantes sobre a comporta, e até auxiliar na vedação.
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Nesta parte fixa encontram-se soleira, caminho de rolamento, guias
laterais, contraguias, frontal, apoios da vedação, e em alguns casos até uma
blindagem das ranhuras. A soleira é o apoio do tabuleiro, ou da vedação inferior.
O caminho de rolamento é um apoio e serve para redistribuir cargas transmitidas
pelas rodas. As guias laterais conseguem limitar horizontalmente o
deslocamento do tabuleiro, além de também absorverem esforços. O frontal
completa o quadro de passagem da água, juntamente com as guias laterais e a
soleira. Localiza-se na parte horizontal superior da passagem a obturar, apóia a
vedação superior e serve também como proteção do concreto da erosão causada
pela passagem da água em alta velocidade.
A figura abaixo demonstra algumas partes integrantes de uma comporta.
Figura 4- Implantação típica de uma comporta.
A tabela a seguir trata-se dos componentes de um comporta com base na
NBR 7259 de 2001.
Componentes de uma comporta
Componente Descrição
Peças fixas Ficam fixados ao concreto e servem para guiar e/ou alojar o
tabuleiro, redistribuir as cargas para o concreto, atuando,
também, como proteção do concreto e/ou elemento de apoio da
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vedação.
Soleira É um componente horizontal inferior das peças fixas, que serve
como apoio do tabuleiro e/ou da vedação inferior. Em casos
particulares, a soleira serve como fixação da vedação inferior.
Caminho de
rolamento
São componentes laterais das peças fixas, que servem como
elementos de apoio e de redistribuição das cargas transmitidas
pelas rodas ou rolos das comportas de rolar.
Guias laterais São componentes das peças fixas que servem para limitar
deslocamentos do tabuleiro transversais ao fluxo e absorver os
esforços correspondentes.
Contraguias São componentes laterais das peças fixas que servem para
limitar deslocamentos do tabuleiro, na direção e em sentido
contrário do fluxo e absorver os esforços correspondentes.
Frontal É um componente horizontal superior das peças fixas que serve
para proteção do concreto e/ou para completar, com as guias
laterais e soleira, o quadro de passagem da água, absorvendo os
esforços correspondentes.
Apoios de vedação São componentes das peças fixas sobre os quais se apóiam as
vedações da comporta. No caso de a vedação ser efetuada
simultaneamente na soleira, nas laterais e em um elemento
frontal, os apoios formam um “quadro de vedação”.
Tabuleiro É a estrutura principal da comporta, que serve de anteparo à
passagem de água, constituído de paramento e vigamento.
Paramento É a chapa de revestimento do tabuleiro diretamente responsável
pela barragem da água.
Vigamento É o conjunto de vigas responsáveis pela rigidez do tabuleiro e
transmissão de esforços aos elementos de apoio.
Viga principal É o elemento principal do vigamento
Nervura ou viga
intermediária
É a viga com funções secundárias, usada também como
elemento de enrijecimento.
Viga cabeceira É a viga de fechamento lateral do tabuleiro, onde se localizam
os elementos de apoio.
Sapata É um elemento fixado ao tabuleiro, cuja função é guiá-lo ao
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longo das peças fixas.
Cutelo lateral É o elemento lateral contínuo de transmissão de cargas da
comporta às peças fixas.
Cutelo inferior É o elemento inferior contínuo de transmissão de carga da
comporta à soleira.
Chapa defletora É o elemento inferior do tabuleiro, convergindo para o cutelo
inferior, cuja função principal é melhorar as condições de fluxo
sob a comporta. A forma do trecho do tabuleiro que contém a
chapa defletora e o cutelo inferior é denominada “perfil
inferior”.
Olhal É o elemento de fixação entre a comporta e o dispositivo de
acionamento.
Vedação É o componente responsável pela estanqueidade, geralmente
constituído de perfis de borracha.
Braço É o componente estrutural responsável pela transmissão de
cargas do tabuleiro para o mancal principal das comportas tipo
segmento e setor.
Mancal principal É o conjunto de articulações da comporta de rotação. No caso
das comportas-segmento, também é conhecido como munhão.
Chumbador É o elemento utilizado para posicionar e/ou ancorar as peças
fixas.
Roda e rolo São elementos de rotação cujas funções são a de transmissão de
cargas e a diminuição dos esforços de atrito entre comporta e
peças fixas, considerando-se rolo aquele cuja largura é maior ou
igual ao diâmetro.
Lagarta É uma cadeia contínua de rolos ligados em forma de esteira.
Sapata antivibratória É um elemento fixado ao tabuleiro, que tem por finalidade
efetuar uma pré-compressão da comporta nas peças fixas, de
modo a evitar que as vibrações devidas ao escoamento
hidráulico sejam transmitidas à comporta e ao seu mecanismo
de acionamento.
Fonte: NBR 7259 (2001).
13
14
3.4. Acionamento
O mecanismo de movimento das comportas pode ser realizado pela
própria ação da água, por um dispositivo fixo ou ainda por um dispositivo móvel
de manobra. As primeiras não dispõem de guincho próprio e apenas necessitam
de válvulas e tubulações de admissão e descarga na câmara de flutuação. Os
fixos utilizam fusos, cabos de aço, correntes de rolo e servomotores para
operação da comporta. Os móveis são utilizados principalmente no tipo
ensecadeira e nas comportas de desvio. Servem também como elementos
auxiliares para a manutenção do tabuleiro e dos mecanismos de acionamento de
comportas de vertedouros, tomadas d’água e tubos de sucção. Entre os mais
usados destacam-se as talhas (manuais ou elétricas), pontes e pórticos rolantes e
guindastes sobre rodas ou esteiras (ERBISTE, 2002).
A principal função de um dispositivo de manobras de uma comporta é a
geração de uma grande força de acionamento com um mínimo fornecimento de
energia. A força é indispensável para superar o peso das partes móveis, as forças
de atrito, as forças hidrodinâmicas e as cargas ocasionais ou acidentais (apud
ERBISTE, 2002).
3.5. Tipos de Comportas
Existem diferentes tipos de comportas, algumas de utilização vinda da
antiguidade, talvez pelo seu valor histórico ou pelo seu uso particular, mas são
encontrados diferentes tipos de comportas pelo mundo, variando de preço e
complexidade na produção.
3.5.1. Comporta Gaveta
Trata-se de uma comporta de deslizamento, em que é exposta ao trabalho
sobre o fluxo hidráulico de diferentes pressões.
Em virtude de seu funcionamento simples e seguro e por exigir pouca
manutenção, a comporta gaveta é largamente utilizada como dispositivo de
controle de canais de irrigação, decantadores, obras de saneamento, descargas de
fundo e de pequenos sangradouros, e tomadas d’água. Apresentando ainda como
15
vantagens uma transmissão uniforme de carga hidráulica ao concreto e a
ausência de vibrações em aberturas parciais devido a grande força de atrito entre
superfícies de deslizamento (ERBISTE, 2002).
Figura 5- Comporta gaveta para tratamento afluente
Fonte: Focco Saneamento, 2011
Figura 6- Comporta gaveta
Fonte: DANGE, 2011
3.5.2. Comporta Vagão
Este tipo mais usado e versátil de comporta. Em sua forma habitual,
consitui-se basicamente de tabuleiro, eixos, rodas e vedações. As comportas
16
vagão são aplicadas na tomada d’água, vertedouros ou descarga de fundo, e
podem ser acionadas por meio de viga pescadora ou cilindros hidráulicos.
Figura 7- Comporta Vagão
Fonte: HACKER, 2011
3.5.3. Comportas Stop-log(Ensecadeira)
Assemelha-se à comporta vagão, mas não possui rodas, ou rolos para sua
movimentação, a não ser em casos específicos onde as guias são inclinadas.
Dependendo da altura a ser vedada, a comporta ensecadeira pode ter mais de um
elemento e neste caso, são denominados painéis stoplog. A vedação é feita nas
laterais, soleira e entre os painéis. A colocação ou retirada dos painéis das guias
é feito com água parada e por meio de uma viga pescadora, movimentada por
uma talha monovia.
17
Figura 8- Comporta Ensecadeira
Fonte: hacker
3.5.4. Comportas Segmento
As comportas Segmento são comportas de perfil semicircular construídas
com estruturas reforçadas vedações em todo o seu paramento. Geralmente são
aplicadas em vertedouros de barragens, tomadas d’água ou descarga de fundo de
grandes dimensões. São acionadas por cilindros hidráulicos atutantes nos braços
de sustentação, que podem ser de tração ou compressão, dependendo da
aplicação.
Figura 9- Comporta Segmento
Fonte: hacker
18
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3.5.5. Comporta lagarta
A comporta lagarta é uma comporta de rolamento, geralmente com
paramento plano e que se movimenta em suas guias ou peças fixas sob fluxo
hidráulico, utilizando cadeias fechadas de rolos.
Segundo Erbiste(2002), por apresentar um baixo coeficiente de atrito dos
rolos e sua alta capacidade de carga é recomendada em instalações de alta queda
para fechamento por gravidade de forma a substituir a comporta tipo vagão, e
que também vem a ser utilizada em tomadas d’água profundas podendo operar
totalmente aberta ou fechada.
Figura 10- Tabuleiro inferior da comporta lagarta da barragem San Louis (Mitsubishi)
Fonte: ERBISTE, 2002
3.5.6. Comporta Stoney
A comporta Stoney é uma comporta de rolamento, geralmente com
paramento vertical plano e que se movimenta em suas guias ou peças fixas sob
fluxo hidráulico, utilizando uma cadeia de rolos de eixos horizontais
independente do tabuleiro. Esta cadeia de rolos se movimenta por meio de uma
polia livre e um cabo que tem uma extremidade fixada na comporta e outra
extremidade fixada a um ponto elevado no pilar.
20
Figura 11- Comporta Stoney
Fonte: IFSUL,2005
3.5.7. Comporta tambor
A comporta tambor é uma comporta de rotação com paramento radial,
continuado por uma superfície cheio cilíndrica, cujo perfil corresponde a um
setor que gira em torno de mancais fixos situados a montante. A pressão
hidráulica é transmitida por tração aos mancais.
Figura 12- Comporta tambor
Fonte: Adaptada da NBR 7259, 2001, p. 10
21
3.5.8. Comporta Basculante
A comporta basculante é uma comporta de rotação com paramento plano
curvo, tendo a estrutura do tabuleiro fixada a mancais-suportes e eixo horizontal
incorporado ao próprio tabuleiro. A pressão hidráulica é transmitida aos
mancais-suportes e à estrutura do mecanismo de operação da comporta.
Figura 13- Comporta Basculante
Fonte: HACKER, 2011
3.5.9. Comporta Rolante
A comporta rolante é uma comporta de translo-rotação, de paramento
geralmente curvo, apoiado em uma estrutura cilíndrica de eixo horizontal, que
rola em cremalheiras fixas nos pilares em posição inclinada
22
Figura 14- Comporta rolante
Fonte: Adaptada da NBR 7259, 2001, p. 12.
3.5.10. Comporta Cilíndrica
A comporta cilíndrica é uma comporta de translação, com paramento
cilíndrico fechado, eixo vertical e que se desloca ao longo de seu eixo. Em uma
comporta cilíndrica de superfície, quando o fluxo é admitido na sua parte
superior por abaixamento da comporta, esta recebe o nome especial de “anel”.
23
Figura 15- Comporta Cilíndrica.
Fonte: Adaptada da NBR 7259, 2001, p. 13.
3.5.11. Comporta Mitra
A comporta mitra é uma comporta de rotação composta de dois
elementos basculantes de eixos verticais fixos, localizados nas paredes do
conduto. Na posição fechada, os dois elementos basculantes fazem apoio entre si
nas extremidades livres
24
Figura 16- Comporta mitra
Fonte: Adaptada da NBR 7259, 2001, p. 15
3.5.12. Comporta Telhado
A comporta telhado é uma comporta de rotação composta de dois
elementos basculantes de eixos horizontais fixos e paralelos, na qual o elemento
de montante se apóia continuamente sobre o elemento a jusante.
Figura 17- Comporta telhado
Fonte:Adaptada da NBR 7259, 2001, p. 15.
25
3.5.13. Comporta Visor
A comporta visor é uma comporta de rotação com paramento
semicilíndrico, com geratriz vertical e eixo de rotação horizontal
Figura 18- Comporta visor
Fonte: Adaptada da NBR 7259, 2001, p. 16.
3.5.14. Comporta Mista
A comporta mista é uma comporta composta de elementos de tipos diferentes,
superpostos (por xemplo: segmento e basculante, rolamento e basculante).
26
Figura 19- Comporta mista
Fonte:MARTINS, 2010
3.5.15. Comporta Múltipla
A comporta múltipla é uma comporta composta de dois ou mais
elementos de um mesmo tipo, superpostos (por exemplo: vagão duplo, segmento
duplo)
27
4. VERTEDORES
4.1. Definição e Aplicação
Vertedores ou vertedouros podem ser definidos como simples paredes, diques ou
aberturas sobre as quais um líquido escoa. O termo também é aplicado, a obstáculos à
passagem de correntes e aos extravasores de represas.
Os vertedores (Figura 20) são, por assim dizer, orifícios sem a borda superior.
Figura 20- Vertedouro
Há muito tempo, que os vertedores têm sido utilizados, intesiva e
satisfatoriamente, na medição de vazão de pequenos cursos de água e condutos livres,
assim como no controle de escoamento de galerias e canais, razão esta, que garante a
grande importância de seu estudo.
28
4.2. Terminologia
A borda horizontal do vertedor é denominada crista ou soleira, Figura 21. As
bordas verticais constituem as faces do vertedor. A carga do vertedor, H, é a altura
atingida pelas águas, a contar da cota da soleira do vertedor. Devido à depressão
(abaixamento da lâmina vertente junto ao vertedor, a carga H deve ser medida
suficientemente a montante para não ser influenciada pelo abaixamento da superfície a
uma distância (d) aproximadamente igual ou superior a 5H.
Figura 21- Terminologia dos vertedores.
Outros componentes do vertedor são:
Carga (H): é a altura d’água sobre a soleira.
e: Espessura da soleira.
Veia ou Lâmina Vertente: é a veia liquida que escoa pelo vertedor.
Altura do Vertedor (P): é a diferença entre a soleira do vertedor e o fundo do
canal.
Vertedor de soleira fina ou delgada: Quando a lâmina vertente toca a crista do
vertedor segundo uma linha.
P1: altura da água a jusante do vertedor.
Vertedor de soleira Espessa: Existe atrito entre a lâmina e o vertedor.
29
4.3. Emprego dos vertedores na determinação da vazão
Requisitos para se obter bons resultados com o emprego das fórmulas dos
vertedouros:
a) A crista deve ser delgada, reta, horizontal e normal à direção dos filetes líquidos;
a crista e os montantes devem ser agudos e lisos, convindo utilizar uma placa de
metal.
b) A distância da crista ao fundo e ao lados do canal deve ser igual a 2 ou
3H e, no mínimo, de 20 a 30 cm.
c) A parede do vertedor deve ser lisa e vertical.
d) Deve haver livre admissão de ar debaixo da lâmina, que deve tocar a crista
segundo um linha.
e) Para que a lâmina não goteje, a carga deve ser maior que 5 cm.
f) O comprimento da soleira deve ser, no mínimo, igual a 3H.
g) A carga não deve ultrapassar 60 cm e deve ser medida suficientemente a
montante, no mínimo a uma distância igual a 5H, para não ser influenciada pelo
abaixamento superficial da lâmina. Segundo Bazin e Francis a medição deve
ser feita de 1,80 a 5,0 m a montante.
h) Convém que haja, a montante, um trecho retilíneo do canal de acesso, para
regularizar o movimento da água.
i) O nível da água a jusante não deve estar próximo da crista.
4.4. Classificação dos vertedores
Os vertedores podem assumir as mais variadas formas (Figura X.3) e
disposições, apresentando assim os mais diversos comportamentos, sendo muitos os
fatores que podem servir como bases para a sua identificação.
30
Figura 22- Vertedouros portáteis utilizados em pesquisa: 1A – vertedor retangular; 1B – vertedor
retangular instalado; 2 – vertedor retangular Cipolleti; 3 – vertedor triangular
Fonte: Modificado de COSTA, 2005
I. Forma
a) Simples (retangulares, trapezoidais, triangulares, etc);
b) Compostos (seções combinadas).
II. Altura relativa da soleira
a) Vertedores completos ou livres (P>P1);
b) Vertedores incompletos ou afogados(P<P1).
III. Natureza da parede
a) Vertedores em parede delgada (chapas ou madeira chanfrada);
b) Vertedores em parede espessa (e>0,66H ).
IV. Largura relativa
a) Vertedores sem contrações laterais;
b) Vertedores contraídos (com uma contração ou com duas contrações).
Figura 23
31
Figura 23- Largura Relativa dos Vertedouros
Existem também alguns fatores que influenciam na vazão do vertedor:
a) Forma do vertedor;
b) Espessura da Soleira;
c) Rugosidade das paredes;
d) Altura do vertedor (P);
e) Carga (H);
f) Nível d’água a jusante (P1);
g) Forma da lâmina vertente.
4.5. Vertedores Retangulares De Parede Delgada e Sem Contrações
As figuras 24 e 26 mostram vertedores retangulares de paredes delgadas sem
contrações.
32
Figura 24-
Figura 25- Vertedores retangulares
Examinando-se o movimento da água em um vertedor (Destaque FIGURA X.7),
observa-se que os filetes inferiores a montante, elevam-se, tocam a crista do vertedor e
sobrelevam-se ligeiramente a seguir. A superfície livre da água e os filetes próximos
baixam. Nessas condições, verifica-se um estreitamento da veia, como acontece com os
orifícios.
33
Figura 26-
Para orifícios de grandes dimensões, foi deduzida a seguinte fórmula para a
vazão:
Q=23Cd L√2 g(h2
23 −h1
23 ).
Fazendo-se:
h1=0
h2=H
Q=KL H 3/2
Onde:
K=23Cd√2g .
4.6. Fórmulas Práticas
Um grande número de fórmulas propostas para essa classe de vertedouros
podem ser encontradas, dentre essas as mais usuais são:
Fórmula de Francis:
Q=1,838 L H 3/2
Fórmula da Sociedade Suíça de Engenheiros e Arquitetos:
34
Q=[1,816+ 1,816(1000H+1,6 ) ] [1+0,5( H
H+P )2]LH 2 /3
Fórmula de Bazin
Q=[0,405+ 0,003H ][1+0,55( H
H+P )2]LH √2 gH
Essas fórmulas são validas para os vertedouros, nos quais atua a pressão
atmosférica sob a lâmina vertente. Na Fórmula de Francis (tabela x.1) a velocidade de
chegada da água é desprezada.
Tabela X.1 – Vertedores retangulares em parede delgada, sem contrações.
Fórmula de Francis, vazão pro metro linear da soleira*.
H (cm) Q (l/s) H (cm) Q (l/s)
3 9,57 25 230,0
4 14,72 30 302,3
5 20,61 35 381,1
6 27,05 40 465,5
7 34,04 45 555,5
8 41,58 50 650,6
9 49,68 55 750,5
10 58,14 60 855,2
11 67,12 65 964,2
12 76,53 70 1077,7
13 86,24 75 1195,1
14 96,34 80 1316,5
15 106,90 85 1442,0
20 164,50 90 1571,0
Para os vertedores com largura menor ou maior que um metro, multiplicam-se
os valores da vazão pela largura real.
4.7. Influência das Contrações
35
Os Vertedores retangulares contraídos são os vertedores cuja largura é inferior a
do canal em que se encontram instalados(L<B), enquanto os plenos são da mesma
largura do canal.
Após inúmeras experiências, Francis, concluiu que tudo se passa como se o
vertedor com contrações a largura fosse reduzida, aplicando-se assim na fórmula, um
valor corrigido para L. Para uma contração:
L'=L−0,1H
Para duas contrações:
L'=L−0,2H
No caso de duas contrações a fórmula de Francis (sem levar em conta a
velocidade de chegada da água) passa a ser:
Q=1,838 (L−0,2H )H 3 /2
Para que os resultados obtidos através dessa fórmula se aproximem de valores
reais, é preciso que duas condições sejam satisfeitas:
Hp
<0,5 eHL
<0,5
As correções de Francis também têm sido aplicadas em outras expressões,
incluindo-se a fórmula de Bazin.
4.8. Vertedor Trapezoidal de Cipolleti
Este tipo de vertedor foi desenvolvido para compensar o decréscimo de vazão
devido às contrações (Figura 27).
A Inclinação das faces foi estabelecida de modo que a descarga através das
partes “triangulares” do vertedor correspondesse, ao decréscimo de descarga devido as
contrações laterais, com a vantagem de evitar a correção nos cálculos.
Para essas condições, o talude resulta 1:4 (1 horizontal para 4 vertical).
36
Figura 27- Vertedor trapezoidal em corte
4.9. Vertedor Triangular
Os vertedores triangulares possibilitam uma maior precisão na medida de cargas
correspondentes a vazões reduzidas. Na prática, empregam-se somente os que têm a
forma isósceles, sendo mais usuais os de 90º (Figura 28).
I
II
Figura 28- I - Vertedor triangular em corte; II – Vertedor Triangular
37
A fórmula adotada para esses vertedores é a de Thompson,
Q=1,4 H 2,5
onde Q é a vazão, dada em m3/s, e H, a carga, dada em m. O coeficiente dado (1,4) na
realidade pode assumir valores entre 1,40 e 1,46.
4.10. Vertedor Circular
O vertedor de seção circular (FIGURA 29), embora raramente empregado,
oferece como vantagem a facilidade de execução e não requer o nivelamento da soleira.
A equação da vazão de um vertedor circular é:
Q=1,518D0,693H 1,807
Q em m3/s, D e H em m.
Figura 29- vertedor circular.
4.11. Vertedor de Soleira Espessa
Um vertedor é considerado de parede espessa (figura X.11), quando a soleira é
suficientemente espessa para que na veia aderente se estabeleça o paralelismo dos
filetes.
O vertedor é considerado de soleira espessa quando a largura da crista é
maior que H /2 .(e<H /2).
QuandoH /2<e<2/3H a veia é instável, podendo ou não aderir à crista.
Quando a espessura da soleira é bastante grande ¿, a superfície da água sofre
um abaixamento no início da soleira, tornado-se depois os filetes líquidos paralelos
á mesma.
38
Vertedores de soleira espessa.
Neste tipo de vertedores, a vazão pode ser encontrada pela fórmula:
Q=1,7 L H1,5
expressão confirmada na prática.
4.12. Vertedores Laterais
Nos vertedores laterais a soleira é paralela a direção do escoamento.
São usados para descarregar o excesso de vazão do canal para que o nível da
água não ultrapasse determinada cota.
Admite-se que a superfície da água no canal, ao longo do vertedor, varie
segundo uma reta; a altura d’água H1 sobre a crista na extremidade de jusante é
maior que altura H0 na Extremidade de montante quando o escoamento no canal é
tranqüilo, e menor quando o regime é rápido (FIGURA 30).
Figura 30-
39
A vazão no vertedor pode se obtida por:
Q=25ml√2g(H 1
2,5−H 02,5)/(H 1−H 0)
4.13. Vertedor de Crista de Barragem
Quando o nível da água num reservatório ultrapassa a cota da crista da
barragem, escoando-se sobre ela, a barragem funciona como um vertedor.
Q=2/3Cd l √2 g H 1,5
A soleira plana é utilizada somente em barragens de pequena altura, tanto
por causa do impacto da água sobre o terreno a jusante da barragem, como pelo
perigo de, com o arrastamento do ar no espaço debaixo da lâmina, haver a
formação de uma depressão, que implicaria num esforço adicional sobre a barragem.
Nas barragens de crista arredondada os filetes líquidos são guiados sobre o
paramento de jusante, sem haver deslocamento da lâmina, que é também guiada
junto a base para mudar de direção sem impacto sobre o solo.
O traçado da crista é feito de modo que a mesma coincida com a face inferior da
lâmina líquida, sendo um dos métodos mais usado o de CREAGER.
O traçado da crista é feito para máxima descarga admissível. Quando a
velocidade de aproximação for diferente de zero:
H=H i+V 2
2g
O arredondamento da crista da barragem (FIGURA 31) tem o efeito de
proporcionar maior descarga.
H 0=H+0,126H
Q=2,196l H 1,5
Figura 31-
40
4.14. Dimensionamento de vertedores
Ao selecionar o local para instalação de um medidor de vazão em escoamento
livre, deve-se verificar qual o tipo de medidor mais adequado a ser instalado no canal de
descarga. As seguintes características devem ser consideradas:
Adequabilidade do comprimento do canal e regularidade de sua secção
transversal.
Evitar usar canais demasiadamente inclinados.
Evitar instalar os medidores em canais que sofram influências de marés,
descargas próximas de rios ou córregos, ou lugares que possam ser inundados.
Verificar a permeabilidade do fundo do canal de escoamento onde se pretende
instalar o medidor.
O dimensionamento do vertedor é feito a partir da estimativa da vazão de pico,
que é a vazão máxima que pode ocorrer na bacia devido a uma chuva de maior
intensidade em um determinado tempo de retorno, calculada a partir de fórmulas
empíricas.
.
41
5. CONCLUSÃO
Através do exposto, concluímos que existe recomendações para a
construção de um vertedouro retangular, como a soleira que deve ser delgada,
reta, em nível com o plano horizontal e normal à direção do fluxo (convém
utilizar uma placa de metal); a distância da crista ao fundo e aos lados do canal
deve ser igual a 3H (no mínimo 20 cm); deve haver livre admissão de ar debaixo
da lâmina de água (veia livre); a carga hidráulica H deve ser maior que 5 cm e
menor que 60 cm; o comprimento da soleira que deve ser no mínimo igual a 3H
(no mínimo 20 a 30 cm); a montante do vertedouro deve haver um trecho
retilíneo para regularizar o movimento da água, de preferência com o fundo em
nível, lembrando que a régua pode ser colocada num poço lateral ao canal para
fugir da influência de ondas e que o nível da água a jusante não deve estar
próximo da soleira do vertedor.
As comportas e vertedouros são muito importante no que diz respeito a
segurança no controle do fluxo e refletem no custo total de uma obra, sendo
assim é justificável a escolha correta do tipo utilizado a partir dos dados
apresentados neste trabalho. A escolha da estrutura adequada deve levar em
conta as características e condições físicas, geológicas e hidrológicas do local de
sua implantação, garantindo assim maior eficiência, segurança e economia.
42
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
“Trabalho Final” disponivel em:
<http://www.cadtec.dees.ufmg.br/NucleoEAD/Forum/Arquivos/Trabalho_Diego_Rober
to_Carlos.pdf> , acessado em 10 de maio de 2012.]
“Apresentação Vertedores”, disponível em:
<http://www2.ufersa.edu.br/portal/view/uploads/setores/111/APRESENTA
%C3%87%C3%83O%20VERTEDORES.pdf>, acessado em 10 de Maio de 2012
“VERTEDORES”, disponível em:
<http://www.ufpi.br/subsiteFiles/ct/arquivos/files/pasta/CAP4>, acessado em 12 de
Maio de 2012.
“Orificios, Bocais e Vertedores”, disponível em:
<http://www.em.ufop.br/deciv/departamento/~carloseduardo/Orificios_Bocais_Vertedo
res.pdf>, acessado em 13 de maio de 2012.
AZEVEDO NETTO, José Martiniano de. Manual de Hidráulica. 8 edição. São Paulo:
Blucher, 1998.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7259: Comportas
hidráulicas – Terminologia. Rio de Janeiro: 2001.
“CELAN, 2010.” Disponível em:
<http://www.celan.com.br/website_seband/wfVideo.aspx>. Acessado em: 10 de maio.
2012.
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09.html>. Acessado em: 11 de maio de 2012.
43
“EH ENGENHARIA, 2003”. Disponível em: <http://www.ehengenharia.com.br>.
Acessado em: 11 de maio. 2012.
44
