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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA CIVIL VERIFICAÇÃO DO DIMENSIONAMENTO DE DISPOSITIVOS DE DRENAGEM NA TRAVESSIA URBANA DE SANTA MARIA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO Fernando Marcuzzo Dotto Santa Maria, RS, Brasil 2015
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
VERIFICAÇÃO DO DIMENSIONAMENTO DE DISPOSITIVOS DE DRENAGEM NA TRAVESSIA
URBANA DE SANTA MARIA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
Fernando Marcuzzo Dotto
Santa Maria, RS, Brasil
2015
VERIFICAÇÃO DO DIMENSIONAMENTO DE DISPOSITIVOS DE DRENAGEM NA TRAVESSIA
URBANA DE SANTA MARIA
Fernando Marcuzzo Dotto
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Maria
(UFSM, RS), como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Civil.
Orientador: Prof. Dr. Daniel Gustavo Allasia Piccilli (UFSM)
Santa Maria, RS, Brasil
2015
Universidade Federal de Santa Maria Centro de Tecnologia
Curso de Engenharia Civil
A Comissão Examinadora, abaixo assinada, aprova o Trabalho de Conclusão de Curso
VERIFICAÇÃO DO DIMENSIONAMENTO DE DISPOSITIVOS DE DRENAGEM NA TRAVESSIA URBANA DE SANTA MARIA
elaborado por Fernando Marcuzzo Dotto
como requisito parcial para a obtenção do grau de Engenheiro Civil
COMISSÃO EXAMINADORA:
Prof. Dr. Daniel Gustavo Allasia Piccilli (Presidente/Orientador)
Prof. Dr. Carlos José Antônio Kummel Félix (Avaliador, UFSM)
Prof. Évelyn Paniz (Avaliador, UFSM)
Santa Maria, 11 de dezembro de 2015
AGRADECIMENTOS Sinto-me honrado em agradecer a todos que contribuíram de maneira direta ou
indireta na realização dessa etapa fundamental para a concretização do sonho de se
tornar engenheiro civil.
Primeiramente quero agradecer a Deus, fonte infinita de força espiritual com a
qual consegui vencer todas as dificuldades até aqui.
Aos meus pais, Celito e Terezinha, pela educação e pelo suor do trabalho para
me dar tudo o que não puderam ter.
A minha “irmãe”, Flávia, pela cobrança incessante e pelo exemplo de ser
humano íntegro. Ao meu cunhado, Gésiner, pelo carinho e pelo apoio. Agradeço
também pela vida dos meus afilhados, Fernando Henrique e Maria Fernanda, por me
lembrarem que, às vezes, é necessário ser criança novamente.
Agradecimento especial ao meu orientador, Professor Dr. Daniel Gustavo
Allasia Piccilli, pela paciência, compreensão e, principalmente, por nos ensinar sobre
a vida e não apenas sobre a Engenharia.
Aos engenheiros Alfredo Giardin, Jacson Arrial e Henrique Schmidt, pela
contribuição intelectual na minha formação profissional.
Agradeço a Universidade Federal de Santa Maria, por possibilitar a realização
do sonho da graduação.
A Base Jr. Empresa Júnior de Engenharia Civil, principalmente a Gestão Alfa,
pela troca de experiências e descoberta de novos caminhos dentro da própria
Engenharia Civil.
Aos amigos, Toso, Gusta, Lorena, Daniel, Fael, Biel, Diogo, Emerson, Jorge, e
todos os brasileiros do edital 2013/2014 do Ciências sem Fronteiras, por terem sido
minha família nesse ano de intercâmbio.
Aos colegas da faculdade, que posso chamar de amigos, sem dúvida: Ângelo,
Rafael, Zeni, Germano, Pinto, Debus, Haru, Júlia, Melissa, Laura, Mirela, Camila, Jair,
Fornel, Fabrício, pelo companheirismo e bom convívio, mesmo nos momentos mais
complicados.
RESUMO
Trabalho de Conclusão de Curso Curso de Engenharia Civil
Universidade Federal de Santa Maria
VERIFICAÇÃO DO DIMENSIONAMENTO DE DISPOSITIVOS DE DRENAGEM NA TRAVESSIA URBANA DE SANTA MARIA
AUTOR: FERNANDO MARCUZZO DOTTO
ORIENTADOR: PROF. DR. DANIEL GUSTAVO ALASSIA PICCILLI
Data e local da defesa: Santa Maria, 11 de dezembro de 2015
O desenvolvimento de grandes áreas geográficas acontece de forma mais intensa a partir da ligação
destas por rodovias. Na cidade de Santa Maria (RS), as rodovias BR-158 e BR-287 passam pela cidade
em locais de grande circulação de pedestres e veículos. Elas são de extrema importância, pois ligam a
região centro do estado às fronteiras do sul do país. Considerando a importância dessas rodovias,
assim como o grande fluxo de veículos que trafegam por elas, surge a necessidade de duplicá-las.
Sendo assim, o DNIT em conjunto com a Prefeitura Municipal de Santa Maria, anunciou a duplicação
de um trecho de 14 km das rodovias BR-158 e BR-287, que por ser circundante ao perímetro urbano,
recebeu o título de Travessia Urbana de Santa Maria. A duplicação resultará em melhoramento da via
existente e novas construções, sendo executadas obras de pavimentação e drenagem. Um importante
estudo em obras rodoviárias são os referentes à drenagem, visto que objetivam proporcionar, além de
condições de trafegabilidade e conservação das rodovias, uma maior segurança aos usuários e
também aos que moram às suas margens. Nos últimos meses a cidade de Santa Maria (RS), teve um
intenso fluxo de chuvas, o que implicou em grandes prejuízos às vias da cidade, com alagamentos e
enchentes que provocaram deslizamentos e queda de cabeceiras e de pontes. Este trabalho objetiva,
portanto, considerando a importância dos sistemas de drenagem, verificar o dimensionamento de
dispositivos de drenagem na obra Travessia Urbana de Santa Maria, analisando especialmente a
drenagem de transposição de talvegues que visa transpor as águas que chegam à rodovia. A
verificação será feita para cinco bueiros do trecho, objetos do projeto, onde serão analisados os estudos
hidrológicos (através do Método Racional e Método Racional Corrigido) e hidráulicos (através da
Fórmula e Manning e Equação da Continuidade), além do orientado pelo Manual de Drenagem de
Rodovias do DNIT, atualizando parâmetros que foram considerados desatualizados para o
dimensionamento hidrológico. Finalmente, por comparação, analisar se os dispositivos de drenagem
existentes e projetados terão capacidade de drenar as vazões máximas, sendo adequados ou não.
Palavras-chave: Drenagem rodoviária, Método racional, Dimensionamento hidráulico, Obras-de-Arte Corrente, Transposição de talvegues
ABSTRACT
Final dissertation Civil Engineering Course
Universidade Federal de Santa Maria
DRAIN DEVICES SIZING VERIFICATION ON THE URBAN CROSSING OF SANTA MARIA
AUTHOR: FERNANDO MARCUZZO DOTTO
ADVISOR: PROF. DR. DANIEL GUSTAVO ALASSIA PICCILLI
Date and location of the presentation: Santa Maria, December 11th, 2015.
The development of big geographic areas happens in a more intense way from these highways
connection. In the city of Santa Maria (RS), the highways BR-158 e BR-287 crosses the city in places
of big pedestrians and vehicles circulation. They are extremely important, because they connect the
central region of the state to the borders of the south of the country. Considering the matter of these
highways, just like the large flow of vehicles that cross through it, comes up the need of duplicate it.
Therefore, the DNIT along with Santa Maria’s city hall, announced the duplication of a section of 14 km
of the highways BR-158 e BR-287, that, for being surrounding on the urban area, received the title of
Urban Crossing of Santa Maria. The duplication will result in an improvement of the existing track and
new constructions, being executed new paving and drainage works. An important study in highway work
are the ones referring to the drainage, considering that intend to provide, beyond the conditions of
transitioning and conservation of highways, a bigger safety to the users and also to the ones who live in
its edges. In the past months the city of Santa Maria (RS), had an intense flow of rain, which implied in
large loss to the city’s roads, with flooding and floods that provoked mudslide and fall of bridges. This
work objective, therefore, considering the matter of the drainage system, verify the sizing of drainage
devices in the Urban Crossing of Santa Maria, specially analysing the drainage of watercourses
transportation that sees cross the waters arriving to the highway. The verification will be made to five
manholes of the section, objects of the project, where will be analysed the hydrological studies (from
the Rational Method and Fixed Rational Method) and hydraulic (from the Manning Formula and
Continuity Equation), beyond the orientated by the Highway Drainage Manual of the DNIT, updating
parameters that were considerated out of date to the hydrological sizing. Lastly for comparison analyse
if the existing drainage devices and designed will have the ability to drain the maximum flow, being
suitable or not.
Keywords: Highway Drainage, Rational Method, Hydraulic Sizing, Work of art Chain, Watercourses Transposition.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Exemplo de bacia hidrográfica. (Fonte: www.ana.gov.br) ......................... 18
Figura 2 - Risco de ocorrer enchente maior. (Fonte: Manual de Hidrologia Básica para
Estruturas de Drenagem, DNIT) ................................................................................ 25
Figura 3 - (A) BSTC; (B) BDCC; (Fonte: Reistradas pelo autor) ............................... 30
Figura 4 - Localização dos bueiros de greide e de grota. (Fonte: Dispositivos de
Drenagem para Obras Rodoviárias, UFPR, 2007). ................................................... 31
Figura 5 - Linha de energia específica. (Fonte: Manual de Drenagem de Rodovias,
DNIT, 2006). .............................................................................................................. 34
Figura 6 - Variação da energia conforme mudança na declividade. (Fonte: Manual de
Drenagem de Rodovias, DNIT, 2006). ...................................................................... 35
Figura 7 - Grandezas hidráulicas para bueiros tubulares. (Fonte: Manual de Drenagem
de Rodovias, DNIT, 2006). ........................................................................................ 38
Figura 8 - Grandezas hidráulicas para bueiros celulares. (Fonte: Manual de Drenagem
de Rodovias, DNIT, 2006). ........................................................................................ 39
Figura 9 - Mapa de Situação da Obra. (Fonte: Relatório do Projeto Básico de
Engenharia para Duplicação e Reabilitação da Pista Existente, Implantação de Ruas
Laterais e Restauração/Construção de Obras-de-Arte Especiais). ........................... 43
Figura 10 – Mapa de localização da obra destacando a quilometragem de projeto da
rodovia. (Fonte: Relatório do Projeto Básico de Engenharia para Duplicação e
Reabilitação da Pista Existente, Implantação de Ruas Laterais e
Restauração/Construção de Obras-de-Arte Especiais). ............................................ 44
Figura 11 - Mapa Hidrográfico e Bacias contribuintes. (Fonte: Adaptado do Relatório
do Projeto Básico de Engenharia para Duplicação e Reabilitação da Pista Existente,
Implantação de Ruas Laterais e Restauração/Construção de Obras-de-Arte
Especiais). ................................................................................................................. 48
Figura 12 - Dados pluviométricos da região. (Fonte: Relatório do Projeto Básico de
Engenharia para Duplicação e Reabilitação da Pista Existente, Implantação de Ruas
Laterais e Restauração/Construção de Obras-de-Arte Especiais). ........................... 49
Figura 13 - Relação das curvas IDF para o município de Santa Maria para Tr de 15 e
100 anos. (Fonte: Dissertação de mestrado de Carlos Augusto Roman, 2015) ....... 59
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Coeficiente de escoamento superficial, em função do revestimento. (Fonte:
DNIT,2006) ................................................................................................................ 27
Quadro 2 - Velocidades admissíveis para a água. (Fonte: Manual de Drenagem de
Rodovias, DNIT, 2006). ............................................................................................. 36
Quadro 3 - Coeficientes de rugosidade n de Manning. (Fonte: Manual de Drenagem
de Rodovias, DNIT, 2006). ........................................................................................ 37
Quadro 4 - Características Básicas do Projeto Geométrico. (Fonte: Relatório do
Projeto Básico de Engenharia para Duplicação e Reabilitação da Pista Existente,
Implantação de Ruas Laterais e Restauração/Construção de Obras-de-Arte
Especiais). ................................................................................................................. 45
Quadro 5 - Bueiros existentes e projetados na Transposição de Talvegues. (Fonte:
Relatório do Projeto Básico de Engenharia para Duplicação e Reabilitação da Pista
Existente, Implantação de Ruas Laterais e Restauração/Construção de Obras-de-Arte
Especiais). ................................................................................................................. 45
Quadro 6 – Obras-de-Arte Corrente avaliadas. ......................................................... 46
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Valores de k para equação do DNOS ...................................................... 23
Tabela 2 - Características de Projeto ........................................................................ 44
Tabela 3 - Dimensionamento e soluções do projeto de drenagem existente. ........... 56
Tabela 4 – Comparativo entre as intensidades de chuva - valores obtidos no projeto
executivo com base em Pfafstetter (1957) e neste estudo com base em Roman (2015).
.................................................................................................................................. 57
Tabela 5 - Comparativo entre as descargas máximas após a atualização das
intensidades de chuva - valores obtidos no projeto executivo com base em Pfafstetter
(1957) e neste estudo com base em Roman (2015). ................................................ 57
Tabela 6 - Aumento da vazão em função da atualização da IDF. ............................. 58
Tabela 7 – Comparativo entre os coeficientes de runoff ........................................... 61
Tabela 8 - Comparativo entre as descargas máximas após a atualização dos
coeficientes C do método Racional. .......................................................................... 61
Tabela 9 - Aumento da vazão em função da atualização do coeficiente C. .............. 62
Tabela 10 - Comparativo entre as descargas máximas após a atualização dos
parâmetros. ............................................................................................................... 62
Tabela 11 - Resultado do dimensionamento hidrológico considerando os novos
parâmetros. ............................................................................................................... 63
Tabela 12 - Aumento da vazão em função da atualização dos parâmetros de projeto.
.................................................................................................................................. 63
Tabela 13 - Verificação hidráulica para os bueiros celulares existentes. .................. 68
Tabela 14 - Verificação hidráulica para os bueiros celulares projetados. .................. 68
Tabela 15 - Verificação hidráulica para os bueiros tubulares existentes. .................. 69
Tabela 16 - Verificação hidráulica para os bueiros tubulares e celular projetados. ... 69
LISTA DE ANEXOS
ANEXO A - Projeto Geométrico do Bueiro - Km 5+514 ............................................ 75
ANEXO B - Projeto Geométrico do Bueiro - Km 7+304 ............................................ 77
ANEXO C - Projeto Geométrico do Bueiro - Km 9+555 ............................................ 78
ANEXO D - Projeto Geométrico do Bueiro - Km 10+667 .......................................... 79
ANEXO E - Projeto Geométrico do Bueiro - Km 11+865 .......................................... 80
ANEXO F - Gráficos das cargas pluviométricas obtidos pela equação definida por O.
Pfafstetter. ................................................................................................................. 82
ANEXO G - Mapa de Santa Maria do uso e ocupação do solo em função da
urbanização. .............................................................................................................. 83
ANEXO H - Mapa de Santa Maria do uso e ocupação do solo em função da vegetação
.................................................................................................................................. 84
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 12
1.1 Justificativa .................................................................................................... 12 1.2 Objetivos ........................................................................................................ 13
1.2.1 Objetivo geral ............................................................................................... 14
1.2.2 Objetivos específicos ................................................................................... 14
2 REVISÃO TEÓRICA........................................................................................... 15
2.1 Drenagem rodoviária ..................................................................................... 15 2.1.1 Ações da água sobre as estradas ................................................................ 15
2.1.2 Drenagem de transposição de talvegues ..................................................... 16
2.2 Bacias hidrográficas ..................................................................................... 17 2.3 Chuvas Intensas ............................................................................................ 20
2.3.1 Tempo de concentração (tc) ........................................................................ 22
2.3.2 Tempo de recorrência (Tr) ........................................................................... 23
2.4 Previsão da vazão máxima: Método racional .............................................. 25 2.5 Dispositivos de drenagem para transposição de talvegues...................... 28 2.6 Dimensionamento hidráulico ....................................................................... 32
2.6.1 Considerações gerais sobre a hidrodinâmica .............................................. 32
2.6.2 Grandezas hidráulicas .................................................................................. 37
2.7 Pontes e bueiros ............................................................................................ 40
3 METODOLOGIA ................................................................................................. 42
3.1 Obra e projeto em estudo ............................................................................. 42 3.1.1 Descrição hidrológica do local do estudo ..................................................... 46
3.1.2 Estudos hidráulicos ...................................................................................... 50
3.2 Estimativa de novos parâmetros de dimensionamento ............................. 50 3.2.1 IDF para a cidade de Santa Maria (RS) ....................................................... 51
3.2.2 Estimativa do coeficiente de escoamento (c) do método racional ................ 51
3.3 Redimensionamento hidrológico ................................................................. 53 3.4 Verificação hidráulica dos dispositivos ...................................................... 53
4 RESULTADOS ................................................................................................... 54
4.1 Projeto de drenagem de transposição de talvegues da Travessia Urbana de Santa Maria ......................................................................................................... 55 4.2 Novos parâmetros de dimensionamento .................................................... 57
4.3 Novas descargas máximas para dimensionamento hidráulico ................. 62 4.4 Análise das soluções de projeto e soluções propostas ............................ 64
4.4.1 Bueiro nº 17.................................................................................................. 65
4.4.2 Bueiro nº 20.................................................................................................. 65
4.4.3 Bueiro nº 22.................................................................................................. 66
4.4.4 Bueiro nº 25.................................................................................................. 66
4.4.5 Bueiro nº 27.................................................................................................. 67
5 CONCLUSÃO ..................................................................................................... 70
6 BIBLIOGRAFIA .................................................................................................. 72
12
1 INTRODUÇÃO Para o desenvolvimento de qualquer cidade ou região são fundamentais as
estradas que as interligam aos grandes centros comerciais. Na construção destas
estradas, diversas estruturas devem ser projetadas para transpor os obstáculos, tais
como montanhas, áreas inundáveis e rios.
Em particular para o caso de cursos d’água, existem diversos dispositivos de
drenagem que possibilitam a construção das estradas sem interromper a passagem
de água, evitando enchentes e não prejudicando fauna e flora nativas. Além disso, a
solução deveria permitir o escoamento de tal forma que o nível de água não chegasse
na cota de rolamento das estradas, proporcionando um deslocamento seguro e
confortável aos usuários. Assim surgiram os bueiros, galerias, pontilhões e pontes.
Cada um desses dispositivos é projetado para um certo volume de água, que
depende da vazão do rio, das características da bacia hidrográfica e do terreno
natural. É por isso que se tornou necessário a elaboração de métodos de
dimensionamento para esses dispositivos, que, apesar de certas diferenças têm o
mesmo objetivo: garantir o escoamento dos cursos d’água e a segurança das
estradas.
O grande problema para o dimensionamento correto destes dispositivos é a
falta de dados de vazão para seus projetos. Assim, se recorre a metodologias que
utilizam informações secundárias tais como chuvas, características físicas e de
ocupação do local, topografia, etc. No entanto, no Brasil, muitas vezes sequer estes
dados estão disponíveis.
1.1 Justificativa
A cidade de Santa Maria está localizada na região central do estado do Rio
Grande do Sul. Pela localização geográfica, no denominado “coração do Rio Grande”,
e pela importância na história do Estado, tornou-se um grande polo rodoviário, por
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onde passam cargas por três importantes rodovias federais: BR-158, BR-287 e BR-
392 além de ser também um importante entroncamento ferroviário.
Como prova dessa importância, em dezembro de 2014 foi oficializada, pelo
Departamento Nacional de Infraestrutura e Transporte (DNIT), juntamente à prefeitura
de Santa Maria, a duplicação de um trecho de 14 quilômetros das rodovias: BR-158 e
BR-287. São frequentes nesses 14 quilômetros a presença de construções comerciais
e residenciais tangentes à rodovia, o que justifica o nome da obra: Travessia Urbana
de Santa Maria.
Quando a rodovia corta um centro urbano, como é o caso da Travessia Urbana
de Santa Maria, os cuidados com a drenagem devem ser ainda maiores, porque nesta
situação, não está envolvida somente a segurança do veículo e do seu usuário, mas
também de toda população que vive às margens da rodovia. Em períodos chuvosos,
por exemplo, se ocorre falha na drenagem de um rio, podem ocorrer enchentes que
causam prejuízos materiais ou pior que isso, mortes dos moradores marginais à
rodovia.
Como exemplo pode mencionar-se que o jornal Diário de Santa Maria, do dia
28 de janeiro deste ano, mostra que com menos de meia hora de chuva intensa, vários
pontos na cidade de Santa Maria foram alagados. De acordo com o Instituto Nacional
de Meteorologia (INMET), choveu 26,6 milímetros em apenas uma hora (Diário de
Santa Maria, 2015). Em alguns lugares a água entrou nas casas, estragando
eletrodomésticos e pondo em risco a vida dos moradores. Isso mostra que um sistema
de drenagem mal dimensionado, seja pela falta de dados ou pela escolha de um
método inadequado, pode trazer grandes prejuízos à sociedade, o que justifica a
preocupação dos órgãos públicos com a qualidade deste tipo de obra.
Desta forma, este trabalho propõe a análise do dimensionamento hidráulico do
projeto existente dos dispositivos de drenagem situados nas estacas (km +m):
05+514, 07+304, 09+555, 10+667 e 11+865 do empreendimento Travessia Urbana
de Santa Maria Lote 02.
1.2 Objetivos
14
1.2.1 Objetivo geral
Este trabalho tem como objetivo geral verificar e redimensionar dispositivos de
drenagem da obra de duplicação da BR-158/287 – Travessia Urbana de Santa Maria
– comparando os resultados com àqueles do projeto existente, verificando ainda a
validade dos dados utilizados para dimensionamento.
1.2.2 Objetivos específicos
• Realizar uma revisão bibliográfica sobre drenagem de rodovias;
• Verificar os parâmetros de dimensionamento utilizados no projeto;
• Redimensionar alguns dispositivos de drenagem da rodovia caso for verificada
insuficiência hidráulica;
• Comparar os resultados entre os dimensionamentos, verificando se o
dispositivo de drenagem existente é compatível com os projetados.
15
2 REVISÃO TEÓRICA
2.1 Drenagem rodoviária
Segundo Almeida (2007), a primeira rede viária de grande porte da história foi
iniciada pelos romanos no terceiro século antes de cristo, uma vez que perceberam
os efeitos danosos da água quando presente nas estruturas viárias e procuravam
construí-las acima do nível dos terrenos adjacentes, sobre uma camada de areia e
cobertas por lajes de pedra cimentadas entre si. Ainda, de acordo com Almeida (2007),
Tresaguet, Metcalf, Telford e McAdam “redescobriram” a necessidade de manter as
estradas livres da água, evitando uma deterioração precoce e a drenagem passou a
ser considerada e analisada sistematicamente nos projetos viários.
2.1.1 Ações da água sobre as estradas
De acordo com Pereira (1959), a água que atinge as estradas provém:
• da precipitação das chuvas;
• do fluxo das águas superficiais dos terrenos adjacentes;
• da inundação dos cursos d’água próximos
• da infiltração através do solo.
Independente da sua origem, a ação das águas nas estruturas das estradas é
sempre prejudicial. Podem ocorrer alagamentos provenientes de chuvas intensas ou
transbordamento dos cursos d’água naturais; destruição da camada estrutural pelo
efeito de erosões e pressões internas; acúmulo de materiais em suspensão que se
depositam sobre a via com a diminuição da velocidade de escoamento, também
diminuindo a segurança de trafegabilidade.
É necessário, portanto, que não se permita que a água atinja a área ocupada
pela estrada e que, quando isso não for possível, ela seja captada e conduzida para
16
locais fora dessas áreas. Os projetos de drenagem, aliados a uma boa execução e
manutenção das estruturas, garantem que isso aconteça na construção das rodovias,
distinguindo a drenagem em quatro tipos:
• superficial, que visa remover as águas que precipitam sobre a superfície
da rodovia ou escoam nas proximidades da mesma;
• do pavimento, que busca retirar as águas que se infiltram nas camadas
do pavimento (superestrutura);
• subterrânea ou profunda, que procura remover as águas do terreno
subjacente à estrutura do pavimento, inclusive rebaixando o lençol
freático, evitando que a água, por capilaridade, atinja o greide da
rodovia.
• de transposição de talvegues, que visa transpor as águas que escoam
por cursos naturais (talvegues) e que cortam o traçado da estrada, sem
comprometer sua estrutura.
Portanto, o responsável pelo projeto de drenagem precisa decidir, para cada
caso, qual dispositivo de drenagem é o mais adequado, objetivando sempre proteger
a estrada contra a ação danosa das águas.
2.1.2 Drenagem de transposição de talvegues
Este TCC discorre, fundamentalmente, sobre o projeto de drenagem para
transposição de talvegues e os parâmetros presentes no seu desenvolvimento. No
caso da transposição de talvegues as águas originam-se de uma bacia hidrográfica
que por imperativos hidrológicos e do terreno, têm que atravessar as estradas sem
comprometê-las, ao tempo de assegurar a não interferência das águas sobre a
hidrologia que comporta.
Baseando-se na observação de projetos de drenagem de transposição de
talvegues, pode-se perceber que o dimensionamento dos dispositivos de drenagem
deve ser realizado com base em estudos:
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• hidrológicos, para determinar a vazão máxima da bacia contribuinte
que deverá escoar pelo dispositivo;
• hidráulicos, para determinar qual o tipo e seção, para o dispositivo,
mais adequados para escoar a vazão de projeto.
Na sequência são apresentadas definições que são necessárias à
compreensão do cálculo do método racional, para estimar as descargas máximas a
serem drenadas e posteriormente serão abordados conceitos sobre o
dimensionamento hidráulico.
2.2 Bacias hidrográficas
Segundo Tucci (2012), “bacia hidrográfica é uma área de captação natural da
água da precipitação que faz convergir os escoamentos para um único ponto de saída,
seu exutório. ” Considera-se por exutório de uma bacia hidrográfica o ponto de menor
altitude da mesma, para aonde todas as águas das precipitações, após o solo alcançar
sua saturação superficial, escoam em função da topografia até a saída da bacia. O
exutório encontra-se no rio principal da bacia hidrográfica.
Simplificando, é uma área que funciona como um funil, captando toda a água
que cai em forma de chuva e que não infiltrando no solo, ou evaporando para a
superfície, escoa, formando rios e lagos, conforme Figura 1.
18
Figura 1 - Exemplo de bacia hidrográfica. (Fonte: www.ana.gov.br)
Assim como é através da topografia que a água escoa para o exutório, é
também através dela que delimitamos cada bacia. Para isso, utiliza-se, geralmente,
cartas topográficas demarcando-se os pontos onde o relevo possui maior altitude. A
ligação entre os pontos de maior altimetria define onde serão os divisores de águas,
que delimitam as bacias hidrográficas. Já os pontos mais baixos ao longo da bacia
interligam-se formando o rio principal. Na região compreendida entre os divisores de
águas e o rio principal encontram-se as vertentes, e é através delas que a água da
bacia é drenada.
Além dos divisores de águas, das vertentes, do rio principal e do exutório uma
bacia hidrográfica possui outros componentes, que são:
• Cristas de elevação: Separam a drenagem entre as bacias;
• Fundos de vale: Áreas adjacentes aos rios ou ribeiros e que geralmente
sofrem inundações;
• Sub bacias: São bacias de menor dimensão, geralmente ligadas a algum
afluente do rio principal;
• Nascente: ponto onde as águas subterrâneas atingem a superfície
formando um pequeno corpo de água ou córrego;
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• Áreas de descarga: pontos em que a água emerge para a superfície do
terreno;
• Recarga: áreas onde a água infiltra para o interior do solo recarregando
o lençol freático.
Outro fator relevante na caracterização de uma bacia hidrográfica é a
vegetação que a compõe e o papel que ela desenvolve para um melhor desempenho
da bacia.
A construção de estradas sempre resulta na retirada da cobertura vegetal
original, na movimentação do solo e também na compactação do seu leito de
drenagem, tornando as estradas vulneráveis a erosão que a chuva pode vir
a causar. (GARCIA, et al., 2011, p. 24)
A erosão é tão maior quanto for o aumento da declividade, comprimento de
rampa e a diminuição da cobertura vegetal, já que estes fatores aumentam a
velocidade de escoamento da água e a capacidade desta de carregar sedimentos
sólidos.
Dentre os tipos mais comuns de cobertura vegetal podemos citar:
• Mata ou bosque;
• Pasto;
• Terreno Cultivado;
• Terreno não cultivado ou com pouca vegetação;
• Área Urbana.
Além da cobertura vegetal, para determinar a parcela do escoamento que fluirá
superficialmente, é necessário considerar o tipo de solo. Existem muitas classificações
do tipo de solo, no entanto aos fins hidrológicos, a mais simples é a determinada pelo
Serviço de Conservação do Solo (SCS) (Sartori, RBRH, 2005), que considera quatro
tipos de solo:
• Grupo A – São solos arenosos ou de rocha diaclasada. Se caracterizam
por mínima formação de deflúvio superficial;
• Grupo B – Solos arenosos menos espessos ou com menos agregados;
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• Grupo C – Solos poucos profundos e com muita argila. Infiltração abaixo
da média;
• Grupo D – Potencial máximo para formação de deflúvio superficial. Solos
com baixa infiltração.
2.3 Chuvas Intensas
Para o dimensionamento de obras de drenagem e de manejo das águas,
quando não se dispõem de dados de vazão, é necessário o conhecimento dos valores
precisos das chuvas intensas (TUCCI, et al., 1995). Normalmente esses dados são
obtidos com base nas relações intensidade-duração-frequência (IDF), para os locais
que possuem registros pluviográficos com séries longas.
Segundo Tucci, as precipitações máximas são retratadas pontualmente pelas
curvas IDF, relacionando a duração, a intensidade e o risco da precipitação ser
igualada ou superada.
As curvas também podem ser expressas por equações genéricas da seguinte
forma:
𝑖𝑖 = 𝑎𝑎.𝑇𝑇𝑇𝑇𝑏𝑏
(𝑡𝑡 + 𝑐𝑐)𝑑𝑑 (1)
sendo i a intensidade em mm/h; Tr o tempo de retorno em anos; t a duração da
chuva em minutos; a, b , c e d, parâmetros que devem ser determinados para cada
local.
O engenheiro Otto Pfafstetter, em 1957, apresentou um trabalho pioneiro na
área, estabelecendo essas curvas para 98 postos localizados em diferentes regiões
do Brasil. O projeto estudado neste trabalho utilizou as equações de Pfafstetter para
determinar a intensidade de precipitação pluviométrica.
Pfafstetter apresentou nesse trabalho os dados para o município de Santa
Maria – RS, com um período de observação de 38 anos de leituras diárias em
pluviômetro e 16 anos de leituras diárias em pluviógrafo. Ele utilizou a Estação
Experimental da Secretaria de Agricultura do Estado do Rio Grande do Sul,
21
atual FEPAGRO. Não se sabe ao certo o período utilizado por Pfafstetter para
a estimativa das IDF, mas sabe-se que são anteriores à publicação em 1957.
(Roman, 2015, p. 49).
No município de Santa Maria (RS), por meio dos dados pluviográficos obtidos
na Estação da FEPAGRO, Belinazo (1991) determinou a equação 2 que representa a
relação intensidade-duração-frequência (IDF) para este município. Esta estação está
localizada no Distrito de Boca do Monte, na cidade de Santa Maria (RS), local muito
próximo da obra em estudo. Para a elaboração da equação 2, Belinazo utilizou os
dados de chuva do período de 1963 a 1988.
𝐼𝐼 = 807,807.𝑇𝑇𝑇𝑇0,1443
(𝑡𝑡 + 5,67)0,742.𝑇𝑇𝑇𝑇−0,028 (2)
sendo I a intensidade da chuva em mm.h-1; Tr o período de recorrência do evento
chuvoso em anos; e t a duração da chuva intensa, em minutos.
Roman (2015), baseado nos estudos de Pfafstetter, Belinazo e ainda nos dados
de precipitação com leituras diárias do pluviômetro instalado na estação da UFSM,
atualizou as curvas IDF para a cidade de Santa Maria, sendo que a confiabilidade dos
resultados, que era para um tempo de retorno de 13 anos para a equação de Belinazo,
subiu para um tempo de retorno de 26 anos. Essa maior confiabilidade é explicada
pelo que sugerem Naghettini e Pinto (2007 apud ROMAN, 2015, p. 49), para não se
trabalhar na faixa de extrapolação dos dados, visto que o ideal é possuir uma série
com extensão de pelo menos duas vezes o Tempo de Retorno que se quer estimar.
A nova IDF de Santa Maria, que segue o tipo potencial da equação 1 e que foi
utilizada neste trabalho para estimar as intensidades de precipitação pluviométrica na
verificação do dimensionamento hidrológico do projeto é:
𝐼𝐼 = 870,289.𝑇𝑇𝑇𝑇0,1632
(𝑡𝑡 + 8,76)0,7258 (3)
sendo I a intensidade da chuva em mm.h-1, Tr o período de recorrência do evento
chuvoso em anos; e t é a duração da chuva intensa em minutos.
22
2.3.1 Tempo de concentração (tc)
De acordo com McCuen (1984 apud SILVEIRA, 2005) o tempo de concentração
pode ser definido como o tempo necessário para uma gota d’água caminhar
superficialmente do ponto mais distante (em percurso hidráulico) da bacia até o seu
exutório. Ou seja, é o tempo percorrido até que todos os pontos da bacia estejam
contribuindo para a vazão, logo esta será a descarga máxima.
A determinação do tempo de concentração de uma bacia é bastante complexa,
devido aos inúmeros condicionantes envolvidos, como formato da bacia, tipo de
cobertura vegetal, declividade média da bacia, condições de permeabilidade do solo,
distância entre o ponto mais afastado e o exutório, comprimento e declividade de
afluentes e do rio principal, etc. Existe, portanto, uma grande variedade de expressões
para calcular o tempo de concentração, que são indicadas para diferentes situações,
como áreas urbanas e rurais, ou limitadas pelo tamanho da bacia.
Para a mesma bacia, conforme a fórmula adotada, podem ser calculados
resultados muito variados para o tempo de concentração. Essa discrepância pode ser
explicada pela diversidade de rugosidade e vegetação, que são fatores que exercem
grande efeito na retenção de águas precipitadas para bacias pequenas.
O Manual de Hidrologia Básica para Estruturas de Drenagem do DNIT (2005)
apresenta um estudo de 15 fórmulas para cálculo do tempo de concentração, e
delimita as aplicações de cada fórmula, conforme as velocidades médias de
escoamento.
Nesses estudos, a fórmula do Departamento Nacional de Obras e Saneamento
(DNOS), resultou em valores precisos para bacias pequenas, e aceitáveis para as
maiores. Por este motivo que ela será usada para calcular todos os tempos de
concentração utilizados para os cálculos de dimensionamento deste trabalho. A
equação da fórmula do DNOS é:
𝑡𝑡𝑐𝑐 = 𝐴𝐴0,3. 𝐿𝐿0,2
2,4 𝑘𝑘. 𝐼𝐼0,4 (4)
onde tc é o tempo de concentração, em h; L é o comprimento do talvegue, em km; I é
a declividade média, em m/m; k é o coeficiente característico do solo-cobertura
vegetal, encontrados na Tabela 1.
23
Tabela 1 - Valores de k para equação do DNOS
2.3.2 Tempo de recorrência (Tr)
Nas obras de engenharia, a segurança e a durabilidade estão diretamente
associadas ao período de retorno, ou tempo de recorrência, que é o espaço de tempo
médio estimado para que um determinado evento ocorra com a mesma ou maior
intensidade. Em estudos de drenagem, o período de retorno é utilizado no
dimensionamento das estruturas de forma que elas resistam às enchentes. Essa
escolha juntamente com a escolha da vazão de projeto depende dos custos relativos
à suas implantações comparados com os prejuízos resultantes em caso de superação
da enchente estimada no período de retorno.
A escolha do tempo de recorrência da enchente de projeto de uma obra de
engenharia, consequentemente, a vazão a ser adotada no projeto de uma
determinada obra, depende da comparação do custo para sua implantação e
da perspectiva dos prejuízos resultantes da ocorrência de descargas maiores
do que a de projeto, levando-se em conta que quanto maior o tempo de
recorrência mais onerosa será a obra, porém os prejuízos decorrentes da
insuficiência a esta vazão serão menores, resultando menores despesas de
reposição ou reparos. (DNIT, 2005).
24
Como os danos decorrentes da insuficiência de vazão dependem também da
importância da obra no sistema, os valores adotados para o tempo de retorno variam
conforme o tipo de obra. Um bueiro, com capacidade hidráulica insuficiente, pode
causar a erosão dos taludes junto a boca de jusante, ruptura do aterro por
transbordamento das águas ou inundação de áreas a montante. No caso de
insuficiência hidráulica em seções de pontes, os danos são, geralmente, muito mais
significativos, podendo ocorrer a sua destruição ou a ruptura dos aterros contíguos,
além de exigir, na maioria das vezes, interrupção de tráfego com obras de
recuperação mais complexas e demoradas.
Segundo DNIT (2005), os períodos de recorrência geralmente adotados são de
10 a 20 anos para bueiros, canais ou galerias de drenagem nas obras rodoviárias e
de 50 a 100 anos para as pontes, conforme tipo e importância da obra.
Para determinar o risco de ruptura de uma obra, o DNIT (2005) utiliza a
expressão de probabilidade em que a probabilidade J para ocorrer uma descarga de
projeto com tempo de recorrência Tr (em anos) dentro da vida útil n (anos) da obra, é
dada pela expressão 5.
𝐽𝐽 = 1 − (1 −1𝑇𝑇𝑇𝑇
)𝑛𝑛 (5)
A Figura 2 - Risco de ocorrer enchente maior. (Fonte: Manual de Hidrologia
Básica para Estruturas de Drenagem, DNIT)Figura 2 ilustra as relações entre risco,
tempo de recorrência e vida útil das estruturas.
25
Figura 2 - Risco de ocorrer enchente maior. (Fonte: Manual de Hidrologia Básica para Estruturas de Drenagem, DNIT)
2.4 Previsão da vazão máxima: Método racional
O método racional é largamente utilizado para representar a transformação da
precipitação em vazão. Este método relaciona a precipitação com o deflúvio e leva em
consideração as características da bacia, como área, forma, declividade e
permeabilidade.
Consiste o método racional no cálculo da descarga máxima de uma enchente
de projeto por uma expressão muito simples, relacionando o valor desta
26
descarga com a área da bacia e a intensidade da chuva através de uma
expressão extremamente simples e facilmente compreensível. Entretanto, por
sua simplicidade, o método exige a definição de um único parâmetro
expressando o comportamento da área na formação do deflúvio,
consequentemente reunindo todas as incertezas dos diversos fatores que
interferem neste parâmetro, conhecido como coeficiente de deflúvio. (DNIT,
2005).
O coeficiente “c” de escoamento superficial é também conhecido como
coeficiente de runoff ou coeficiente de deflúvio. Tucci (RBRH, 2000) diz que “ por
definição, o coeficiente de runoff é a razão entre o volume total de escoamento
superficial no evento e o volume total precipitado. ”
Essa relação envolve além do volume da precipitação vertida, a avaliação do
efeito da variação da intensidade da chuva e das perdas por retenção e infiltração do
solo durante a tempestade de projeto.
A vegetação, os tipos de solo e o nível de urbanização são fatores que afetam
diretamente o valor do coeficiente. Quanto mais ocupado, maior a impermeabilização
do terreno e maior quantidade de água precipitada deixa de infiltrar e escoa. Quando
a bacia apresenta ocupação muito variada o coeficiente pode ser calculado através
de médias ponderadas como na equação 6.
𝑐𝑐 = 𝑐𝑐1.𝐴𝐴1 + 𝑐𝑐2.𝐴𝐴2 + ⋯+ 𝑐𝑐𝑐𝑐.𝐴𝐴𝑐𝑐
𝐴𝐴1 + 𝐴𝐴2 + ⋯+ 𝐴𝐴𝑐𝑐 (6)
sendo c, o coeficiente de escoamento; e A, a área caracterizada pelo coeficiente c.
O Quadro 1 apresenta os valores do coeficiente de deflúvio indicados
pelo DNIT para cada tipo de superfície, na drenagem rodoviária.
27
Quadro 1 - Coeficiente de escoamento superficial, em função do revestimento. (Fonte: DNIT,2006)
Segundo Tucci (2012), os princípios básicos da metodologia do método racional são:
• Considera a duração de precipitação intensa igual ao tempo de
concentração. Considerando essa igualdade, admite-se que a bacia é
suficientemente pequena para que essa situação ocorra, pois a duração
é inversamente proporcional a intensidade de chuva;
• Adota um coeficiente único de perdas, denominado C, estimado com
base nas características da bacia. Adotando um coeficiente único, o
método torna-se mais simples, mas a determinação do valor de C passa
a requerer grande atenção;
• Não avalia o volume da cheia e a distribuição temporal de vazões.
A equação do método racional é a seguinte:
𝑄𝑄 = 0,278. 𝑐𝑐.𝑃𝑃𝑖𝑖.𝐴𝐴 (7)
sendo Q, a descarga máxima (vazão de pico), em m³/s; c, o coeficiente de
escoamento; Pi, a intensidade de precipitação pluviométrica em mm/h; A, a área da
bacia, em km².
28
O Manual de Drenagem Rodoviária do DNIT sugere que o método seja usado
para bacias com áreas menores que 4km². Para bacias com áreas entre 4km² e 10km²,
deve-se usar o método racional corrigido.
Para corrigir os efeitos de distribuição das chuvas, consideradas uniformes no
método racional, em bacias com áreas superiores a 4 km2, são introduzidos
coeficientes redutores das chuvas, denominados Coeficientes de Distribuição (n), cuja
expressão é n = A-0,10, sendo A, a área da bacia, em km².
Assim, a quação da descarga pelo método racional corrigido resulta:
𝑄𝑄 = 0,278. 𝑐𝑐.𝑃𝑃𝑖𝑖.𝐴𝐴0,9 (8)
2.5 Dispositivos de drenagem para transposição de talvegues
O Manual de Drenagem de Rodovias do DNIT (2006, p. 27) diz que “a
drenagem de uma rodovia tem como função primordial eliminar a água que sob
qualquer forma atinge o corpo estradal, captando-a e conduzindo-a para locais em
que menos afete a durabilidade e segurança da via. ”
No caso da drenagem de transposição de talvegues, os obstáculos a serem
vencidos na construção da estrada são cursos d’água, que devem ser transpostos.
Para que a água possa cruzar a estrada, sem causar danos a esta, são construídas
as obras de arte especiais (OAE), como pontes e pontilhões, e as obras de arte
corrente (OAC), como os bueiros.
Pontes ou obras de arte especiais-OAE, conforme nominadas, são estruturas
especiais cujos objetivos são de relevante importância, tornando possível a
travessia de cursos d’água de diferentes proporções, de braço de mar, de
grandes depressões ou obstáculos de difícil transposição em padrões usuais
de construção e de relativamente baixo custo financeiro, muitas vezes
exercendo a função de dispositivo de drenagem para transposição de
talvegues. (PEREIRA, et al., 2007, p. 17)
Bueiros ou obras de arte correntes-OAC são dispositivos drenantes
constituídos por linha de escoamento d’água, sobre o terreno natural, tendo
29
todo o aterro sobre si, normalmente posicionado transversalmente a
plataforma, permitindo a livre passagem d’água sob a rodovia. Podem drenar
as águas precipitadas fora do corpo estradal e acumuladas nos talvegues
naturais ou precipitadas sobre a plataforma e taludes de cortes e acumuladas
em caixas coletoras. (PEREIRA, et al., 2007, p. 17)
Os bueiros são constituídos, pelos seguintes elementos:
• Corpo: estrutura com a função efetiva de dar passagem às águas;
• Berço: constitui a base de assentamento do bueiro; normalmente de
concreto;
• Bocas: são os dispositivos de entrada (montante) e saída (jusante) dos
bueiros, integrando o bueiro ao corpo do aterro;
• Recobrimento: aterro de cobertura ao bueiro, com altura mínima
estabelecida em função do tipo e dimensão do bueiro;
• Declividade: inclinação longitudinal do bueiro cuja função é forçar o
escoamento apropriado das águas, evitando velocidades excessivas.
Para um melhor detalhamento, as OAC’s são classificadas segundo o tipo de
estrutura, forma de seção transversal, quanto ao número de linhas, ao tipo de
materiais e quanto a esconsidade das diversas disposições que compõem os bueiros,
como explanado a seguir.
Quanto a forma da seção, os bueiros são classificados em:
• Tubular (ou circular) - quando a seção for circular;
• Celular - quando a seção for retangular ou quadrada (denominada
célula);
• Especial - quando a seção for diferente das anteriores, podendo ser em
arco, oval, lenticular, elíptico, etc.
Quanto ao número de linhas, os bueiros são classificados em:
• Simples - quando só houver uma linha de tubos, células, etc.
• Múltiplo - quando houver mais de uma linha, podendo ser duplo, triplo,
etc.
Quanto ao material, os bueiros são classificados em:
30
• de concreto - simples ou armado;
• metálico - de chapa metálica, corrugada ou não;
• de outro tipo - alvenaria, pedra argamassada, madeira(para situações
provisórias).
Quanto à esconsidade, que é o ângulo formado entre o eixo do bueiro e uma
reta normal ao eixo da rodovia (vista em planta), os bueiros são classificados em:
• Normal - eixo do bueiro coincide com a normal ao eixo da rodovia, sendo
nula a esconsidade;
• Esconso - o ângulo do eixo do bueiro com a normal ao eixo da rodovia é
diferente de zero.
Para facilitar a elaboração e leitura de projetos de drenagem, foi padronizada a
seguinte terminologia, para os bueiros:
• BSTC - bueiro simples tubular de concreto;
• BDTC - bueiro duplo tubular de concreto;
• BTTC - bueiro triplo tubular de concreto;
• BSCC - bueiro simples celular de concreto;
• BDCC - bueiro duplo celular de concreto;
• BTCC - bueiro triplo celular de concreto;
• BSTM - bueiro simples tubular metálico;
• BDTM - bueiro duplo tubular metálico;
• BTTM - bueiro triplo tubular metálico.
A B
Figura 3 - (A) BSTC; (B) BDCC.
31
Os bueiros se localizam em locais específicos e isso depende se são bueiros
de greide ou bueiros de grota.
• Bueiro de greide que são bueiros nos quais a entrada d’água é
normalmente feita através de caixas coletoras e são empregados para
permitir a transposição de fluxos d’água coletados por dispositivos de
drenagem superficial, notadamente, sarjetas. Podem coletar os fluxos
provenientes de talvegues naturais ou ravinas interceptadas pela
rodovia em segmentos de corte;
• Bueiro de grota que são bueiros que se instalam no fundo dos talvegues.
No caso de obras mais significativas correspondem a cursos d’água
permanentes e consequentemente, obras de maior porte. E também
conduz as águas de córregos e canais já existentes.
Figura 4 - Localização dos bueiros de greide e de grota. (Fonte: Dispositivos de Drenagem para Obras Rodoviárias, UFPR, 2007).
Segundo o Manual de Drenagem do DNIT (2006), quanto a localização, os
bueiros podem ser instalados:
• Sob os aterros, procurando-se lançar o bueiro na linha do talvegue; não
sendo isto possível, deslocar o talvegue para uma locação que obrigará
o desvio ou a retificação do canal natural, em certa extensão, a montante
e a jusante. Outra opção é procurar uma locação que afaste o eixo do
32
bueiro o mínimo possível da normal ao eixo da rodovia, com as devidas
precauções para os deslocamentos dos canais de entrada e saída
d'água do bueiro.
• Nas bocas de corte - quando o volume d'água dos dispositivos de
drenagem (embora previstos no projeto) for tal que possa erodir o
terreno natural nesses locais.
• Nos cortes - de seção mista quando a altura da saia de aterro não for
muito elevada, ou quando a capacidade das sarjetas for insuficiente.
Nestes casos, não se trata mais de transposição de talvegues, e sim de
bueiros de greide (drenagem superficial).
2.6 Dimensionamento hidráulico
Em termos hidráulicos os bueiros podem ser dimensionados como canais,
vertedouros ou orifícios. A escolha do regime a adotar depende da possibilidade do
dispositivo poder, ou não, trabalhar com carga hidráulica a montante, o que poderia
proporcionar o transbordamento do curso d’água causando danos aos aterros e
pavimentos e inundação a montante do bueiro.
Não sendo possível a carga a montante, o bueiro deve trabalhar livre como
canal. Por outro lado, caso a elevação do nível d'água a montante não traga nenhum
risco ao corpo estradal, ou a terceiros, o bueiro pode ser dimensionado como orifício,
respeitando-se, evidentemente, a cota do nível d'água máximo a montante.
Para maior segurança os bueiros são geralmente dimensionados como canal,
evitando represamento de água a montante. Portanto, este trabalho apresenta uma
revisão teórica sobre o dimensionamento hidráulico de bueiros como canal.
2.6.1 Considerações gerais sobre a hidrodinâmica
Toda técnica de drenagem na construção de estradas se apoia na
hidrodinâmica. Bernoulli (1700-1782) concluiu que “ao longo de qualquer linha de
33
corrente, a soma das alturas representativas das energias cinética, piezométrica e
geométrica ou de posição, é constante” e então desenvolveu a equação: (DNIT, 2006)
𝑍𝑍 +𝑝𝑝𝛾𝛾
+𝑣𝑣²2𝑔𝑔
= 𝑐𝑐𝑡𝑡𝑐𝑐 (9)
sendo: Z é a energia geométrica ou de posição; (p/y) é a energia piezométrica; e
(v²/2g) é a parcela da energia cinética.
Convém ressaltar que esta expressão foi deduzida por Bernoulli para fluido
perfeito, ou seja, escoando sem atrito. Nos casos reais, como nos dimensionamentos
deste trabalho, deve-se introduzir na equação 9 a perda de carga por atrito da água
com as paredes do canal, genericamente denominada “h”, e que depende da
rugosidade do revestimento.
A equação 9 de Bernoulli e a da continuidade abriram um vasto campo a
hidrodinâmica e permitem resolver inúmeros problemas do movimento dos líquidos
em regime permanente.
Equação da continuidade:
𝑄𝑄 = 𝑣𝑣.𝐴𝐴 (10)
sendo Q a vazão, em m³/s; v a velocidade, em m/s; e A a área de escoamento, em
m².
O escoamento nos canais pode ocorrer em regime crítico, quando acontece
com um mínimo de energia, supercrítico e subcrítico, conforme sua inclinação e
velocidades de escoamento.
O Manual de Drenagem do DNIT (2006, p.33) define energia específica como
energia total por unidade de peso em relação ao fundo do canal. Assim, é a soma das
energias cinética e piezométrica, visto que, como é relacionada ao fundo do canal, a
parcela de energia geométrica é nula, conforme Figura 5.
34
Figura 5 - Linha de energia específica. (Fonte: Manual de Drenagem de Rodovias, DNIT, 2006).
A equação 9, portanto, simplifica-se:
𝐸𝐸 = ℎ +𝑣𝑣²2𝑔𝑔
(11)
considerando-se Z=0; E, a energia específica; v, a velocidade de escoamento; h, a
profundidade hidráulica (razão entre a área molhada e a largura da superfície livre do
fluxo).
Para facilitar o entendimento dos elementos geométricos e das grandezas
hidráulicas dos canais, apresenta-se as definições de Porto (2004, p. 222):
• Área molhada é a área da seção reta do escoamento, normal à direção
do fluxo;
• Perímetro molhado é o comprimento da parte da fronteira sólida da
seção do canal (fundo e paredes) em contato com o líquido. A superfície
livre não faz parte do perímetro molhado;
• Raio hidráulico é a relação entre a área molhada e o perímetro molhado;
• Altura d’água ou tirante é a distância vertical do ponto mais baixo da
seção do canal até a superfície livre;
• Largura de topo é a largura da seção do canal na superfície livre, função
da forma geométrica e do tirante d’água;
• Declividade de fundo é a declividade longitudinal do canal.
35
Para uma descarga Q constante, aumentando a velocidade de escoamento
pelo aumento da declividade, verifica-se uma redução da altura d’água (tirante) dentro
do canal. Representando estes elementos em um gráfico, apresentado na Figura 6,
nota-se que a energia irá diminuir com a redução do tirante, passa por um mínimo e
depois aumenta, embora o tirante continue a decrescer. O ponto de energia mínima
define a altura crítica de escoamento, correspondente ao regime crítico.
Determinado o ponto de escoamento crítico, ainda para uma vazão constante,
se a declividade aumentar, a velocidade de escoamento também aumenta,
caracterizando o escoamento como rápido, ou supercrítico; se a declividade diminuir,
a velocidade diminui, caracterizando o escoamento como lento ou subcrítico.
A velocidade do escoamento também deve respeitar limites máximos e
mínimos porque se o escoamento ocorrer com velocidade elevada, corre-se o risco
de a água causar erosão, tanto do terreno natural, quanto dos condutos dos bueiros.
Por outro lado, se o escoamento ocorrer com velocidades muito pequenas, existe a
possibilidade de sedimentação das partículas sólidas transportadas pela água,
obstruindo a seção de escoamento dos dispositivos de drenagem. As velocidades
máximas de escoamento admissíveis para a água se encontram no Quadro 2.
Figura 6 - Variação da energia conforme mudança na declividade. (Fonte: Manual de Drenagem de Rodovias, DNIT, 2006).
36
Quadro 2 - Velocidades admissíveis para a água. (Fonte: Manual de Drenagem de Rodovias, DNIT, 2006).
Para a verificação das velocidades, foram desenvolvidas equações empíricas,
como a fórmula de Manning, que correlacionam os elementos de definição do
escoamento com a declividade do canal. A fórmula de Manning é definida pela
expressão (Porto, 2004):
𝑣𝑣 = 1𝑐𝑐𝑥𝑥𝑅𝑅2 3� 𝑥𝑥𝐼𝐼1 2� (12)
sendo: v, a velocidade do canal, em m/s; n, o coeficiente de rugosidade de Manning,
cujos valores estão apresentados no Quadro 3; R, o raio hidráulico (relação entre a
área molhada e o perímetro molhado); I, a declividade do canal, em m/m.
37
Quadro 3 - Coeficientes de rugosidade n de Manning. (Fonte: Manual de Drenagem de Rodovias, DNIT, 2006).
Relacionando a fórmula de Manning (equação 12) com a equação da
continuidade (equação 10), tem-se:
𝑄𝑄 = 1𝑐𝑐𝑥𝑥𝑅𝑅2 3� 𝑥𝑥𝐼𝐼1 2� 𝑥𝑥𝐴𝐴 (13)
sendo: v, a velocidade do canal, em m/s; n, o coeficiente de rugosidade de Manning;
R, o raio hidráulico (relação entre a área molhada e o perímetro molhado); I, a
declividade do canal, em m/m; A, a área molhada.
Segundo DNIT (2006), essa fórmula, interligando vazão, velocidade,
declividade e área de escoamento, embora empírica, tem sido largamente empregada
em todo mundo, conduzindo a valores aceitáveis para o dimensionamento de
sistemas de drenagem.
2.6.2 Grandezas hidráulicas
Para o cálculo do dimensionamento hidráulico, a altura de água dentro do
conduto durante o escoamento, é fundamental, porque determina a área molhada, o
perímetro molhado e, portanto, o raio hidráulico. Para uma vazão constante, quanto
38
maior o tirante d’água admitido pelo projeto, maior a seção de escoamento e menor
seria a velocidade, por exemplo.
No caso dos bueiros tubulares, o tirante está relacionado ao ângulo Ø, que se
torna, então, um parâmetro representativo do enchimento do tubo. As grandezas
hidráulicas necessárias para o dimensionamento de bueiros tubulares são
apresentadas na Figura 7, onde: d, é o tirante d’água; D, é o diâmetro da tubulação;
T, é a largura de topo; NA, é o nível da água.
Figura 7 - Grandezas hidráulicas para bueiros tubulares. (Fonte: Manual de Drenagem de Rodovias, DNIT, 2006).
Obtém-se a ligação do ângulo Ø com o tirante d através da fórmula:
cos �𝜙𝜙2� = 1 −
2𝑑𝑑𝐷𝐷
(14)
E ainda seguem as relações:
Área molhada:
𝐴𝐴 = 𝜙𝜙 − 𝑠𝑠𝑐𝑐𝑐𝑐𝜙𝜙
8𝑥𝑥 𝐷𝐷² (15)
Perímetro molhado:
𝑃𝑃 = 𝜙𝜙2𝑥𝑥 𝐷𝐷 (16)
39
Raio hidráulico:
𝑅𝑅 =𝐴𝐴𝑃𝑃
=𝜙𝜙 − 𝑠𝑠𝑐𝑐𝑐𝑐𝜙𝜙
4𝜙𝜙𝑥𝑥 𝐷𝐷 (17)
Largura da superfície livre do fluxo:
𝑇𝑇 = 𝑠𝑠𝑐𝑐𝑐𝑐 �𝜙𝜙2� 𝑥𝑥 𝐷𝐷 (18)
Profundidade hidráulica:
ℎ =𝐴𝐴𝑇𝑇
=𝜙𝜙 − 𝑠𝑠𝑐𝑐𝑐𝑐𝜙𝜙
8𝑠𝑠𝑐𝑐𝑐𝑐(𝜙𝜙2
) 𝑥𝑥 𝐷𝐷 (19)
As grandezas hidráulicas relativas aos bueiros celulares estão apresentadas
na Figura 8, onde: H, é a altura da seção do bueiro; B, é a base da seção; d, é o
tirante; A, é a área molhada; NA, é o nível da água.
Figura 8 - Grandezas hidráulicas para bueiros celulares. (Fonte: Manual de Drenagem de Rodovias, DNIT, 2006).
E seguem as relações:
Área molhada:
𝐴𝐴 = 𝐵𝐵.𝑑𝑑 (20)
Perímetro molhado:
40
𝑃𝑃 = 𝐵𝐵 + 2𝑑𝑑 (21)
Raio hidráulico:
𝑅𝑅 =𝐴𝐴𝑃𝑃
=𝐵𝐵.𝑑𝑑
𝐵𝐵 + 2𝑑𝑑 (22)
Largura da superfície livre do fluxo:
𝑇𝑇 = 𝐵𝐵 (23)
Profundidade hidráulica:
ℎ =𝐴𝐴𝑇𝑇
= 𝑑𝑑 (24)
Apresentadas as relações para o dimensionamento hidráulico dos bueiros
tubulares e celulares, é possível verificar se o dispositivo será capaz de drenar a vazão
máxima, que pode ser obtida através do método racional. O dimensionamento
hidráulico, portanto, consiste em, através das determinações para a utilização da
fórmula de Manning e das relações apresentadas, determinar as características do
bueiro, para que ele tenha suficiência hidráulica, e do escoamento, possibilitando a
drenagem da vazão máxima.
Para que o bueiro tenha o escoamento em canal livre, por exemplo, é
necessário determinar que o tirante será sempre menor que o diâmetro (para os
tubulares) ou a altura (para os celulares). Se o tirante for maior, o bueiro poderá
trabalhar como orifício, com carga a montante (submerso). É necessário determinar,
portanto, para verificação de suficiência hidráulica, o tirante máximo permitido e a
declividade do bueiro.
2.7 Pontes e bueiros
Por imperativos econômicos, não são projetadas pontes (obra de arte especial)
para todo curso d’água que corta uma estrada. Os bueiros (obra de arte corrente) são
capazes de drenar vazões consideráveis e têm um menor custo de construção.
41
O dimensionamento hidrológico/hidráulico de uma estrada consiste em
identificar todos os pontos de passagem da água, principalmente nas enchentes, para
assim determinar quais estruturas são adequadas, conforme o risco que a falha destas
oferece, e os seus dimensionamentos.
As bacias estudadas neste trabalho geram vazões relativamente baixas, sendo
que as OAC’s são capazes de drená-las. Visto que as OAE’s necessitam de estudos
e metodologias próprios e que não são caso de estudo neste trabalho, toda
metodologia apresentada refere-se ao dimensionamento hidrológico/hidráulico de
Obras de Arte Corrente.
42
3 METODOLOGIA
3.1 Obra e projeto em estudo
A obra estudada neste trabalho está situada na cidade de Santa Maria, Rio
Grande do Sul, compreendendo 9,4 km de duplicação, reabilitação da pista existente,
implementação de ruas laterais e restauração/construção de obras de arte especiais.
O mapa de situação da obra está representado na Figura 9, enquanto na Figura 10 se
pode observar mais claramente os limites do empreendimento e a quilometragem de
projeto da rodovia. As principais características do projeto estão expostas na Tabela
2, enquanto que no Quadro 4 estão expostas as características básicas do projeto
geométrico.
Como se trata de um projeto de duplicação da pista existente, é fácil prever que
já existem dispositivos de drenagem para transposição de talvegues no trecho. O
objetivo do projeto de drenagem, portanto, é de verificar se estes dispositivos ainda
são compatíveis com a carga hidráulica atual, prolongando-os em caso de resposta
positiva, e substituindo-os por novas estruturas, em caso de resposta negativa. O tipo
e a quantidade de bueiros existentes e projetados para a obra estão expostos no
Quadro 5.
43
Figura 9 - Mapa de Situação da Obra. (Fonte: Relatório do Projeto Básico de Engenharia para Duplicação e Reabilitação da Pista Existente, Implantação de Ruas Laterais e Restauração/Construção de Obras-de-Arte Especiais).
44
Figura 10 – Mapa de localização da obra destacando a quilometragem de projeto da rodovia. (Fonte: Relatório do Projeto Básico de Engenharia para Duplicação e Reabilitação da Pista Existente,
Implantação de Ruas Laterais e Restauração/Construção de Obras-de-Arte Especiais).
Tabela 2 - Características de Projeto
Fonte: Relatório do Projeto Básico de Engenharia para Duplicação e Reabilitação da Pista Existente, Implantação de Ruas Laterais e Restauração/Construção de Obras-de-Arte Especiais.
45
Quadro 4 - Características Básicas do Projeto Geométrico. (Fonte: Relatório do Projeto Básico de Engenharia para Duplicação e Reabilitação da Pista Existente, Implantação de Ruas Laterais e
Restauração/Construção de Obras-de-Arte Especiais).
Quadro 5 - Bueiros existentes e projetados na Transposição de Talvegues. (Fonte: Relatório do Projeto Básico de Engenharia para Duplicação e Reabilitação da Pista Existente, Implantação de
Ruas Laterais e Restauração/Construção de Obras-de-Arte Especiais).
Os dispositivos de drenagem avaliados neste TCC estão expostos no Quadro
6, juntamente com as suas localizações no trecho. As plantas dos projetos executivos
de engenharia, que apresentam características como dimensões e declividade de
cada bueiro estudado, se encontram nos anexos A a E.
46
Nº Localização (km+ m)
17 05+514 20 07+304 22 09+555 25 10+667 27 11+865
Quadro 6 – Obras-de-Arte Corrente avaliadas.
3.1.1 Descrição hidrológica do local do estudo
O segmento da rodovia, objeto dos estudos hidrológicos, desenvolve-se ao sul
da cidade de Santa Maria, cruzando por bairros populares e promovendo acessos a
vias principais e ao distrito industrial, compondo-se do seguinte lote:
• Lote 2: Km 5+300 ao Km 14+703,60.
Os principais cursos de água transpostos por pontes são os arroios Cadena,
Ferreira e Taquara, sendo que todos os cursos de água que cruzam a rodovia fazem
parte da bacia do rio Vacacaí, que integra a sub-bacia 85 – Alto Jacuí, da classificação
da Agência Nacional de Águas (ANA).
As demais bacias, possuem áreas pequenas (menores que 8 km²). A Figura 11
é o mapa hidrográfico do segmento da obra, com as bacias contribuintes, sendo que
aquelas delimitadas em azul são as bacias estudadas neste trabalho.
Foram cadastrados 14 bueiros, que poderão ser mantidos ou substituídos
alguns, com vistas à adequação ao projeto geométrico, que contempla duplicação de
pista, ruas laterais e interseções em níveis diferenciados.
A pluviosidade da região foi avaliada a partir dos registros da estação
climatológica de Santa Maria, integrante da rede do INMET.
Os dados que serviram na elaboração dos estudos hidrológicos de anteprojeto
provêm dos seguintes elementos:
• Carta geográfica de Santa Maria – na escala 1:50.000, da Diretoria do
Serviço Geográfico do Exército;
47
• Fotogramas aéreos, na escala 1:10.000, do vôo realizado pela
AEROMAPA – em março de 2007;
• Inspeção e cadastro de obras-de-arte e de drenagem;
• Normais climatológicas – registros da estação de Santa Maria – INMET;
• Chuvas Intensas no Brasil, de O. Pfafstetter.
As características da bacia como área, comprimento e declividade foram
obtidas através dos levantamentos topográficos e a delimitação foi feita com auxílio
das cartas geográficas da cidade, fornecidas pela Diretoria do Serviço Geográfico do
Exército.
O tempo de concentração da bacia foi determinado pela fórmula DNOS,
sugerida pelo DNIT e apresentada no item 2.3.1. A carga pluviométrica utilizada na
avaliação da descarga das bacias foi obtida através da equação definida por O.
Pfafstetter, representada nos gráficos que mostram as curvas de períodos de
recorrência de 10, 15, 25, 50 e 100 anos, das relações altura de chuva–duração, e de
intensidade pluviométrica–duração (ANEXO F). As médias mensais de precipitação e
o número de dias de chuva estão representados nos gráficos da Figura 12.
O coeficiente de escoamento superficial, para cada bacia, foi estimado com
base nas informações apresentadas no item 2.4, indicadas pelo DNIT.
As obras-de-arte e de drenagem foram avaliadas para as descargas dos
períodos de recorrência discriminados a seguir:
• Tr = 10 anos, para drenagem subsuperficial;
• Tr = 10 anos, para as obras de drenagem superficial;
• Tr = 15 anos e 25 anos, para os bueiros;
• Tr = 50 anos, para os bueiros celulares (como orifício);
• Tr = 100 anos, para as pontes.
48
Figura 11 - Mapa Hidrográfico e Bacias contribuintes. (Fonte: Adaptado do Relatório do Projeto Básico de Engenharia para Duplicação e Reabilitação da Pista Existente, Implantação de Ruas Laterais e Restauração/Construção de Obras-de-Arte Especiais).
49
Figura 12 - Dados pluviométricos da região. (Fonte: Relatório do Projeto Básico de Engenharia para Duplicação e Reabilitação da Pista Existente, Implantação de Ruas Laterais e
Restauração/Construção de Obras-de-Arte Especiais).
50
A metodologia para a determinação da descarga, admitida como função da
área da bacia contribuinte, é a contida na Instrução de Serviço IS-203, editada em
2006 pelo DNIT, descrita a seguir:
• Bacias com áreas até 4 km²: método racional;
• Bacias com áreas entre 4 km² e 10 km²: método racional corrigido;
• Bacias com áreas superiores a 10 km²: método do hidrograma unitário
triangular (HUT).
Como as bacias estudadas neste trabalho têm áreas menores que 10 km²,
foram utilizados para calcular as vazões de descarga máxima o método racional e o
método racional corrigido, cujas equações foram apresentadas no item 2.4.
3.1.2 Estudos hidráulicos
A verificação e o dimensionamento hidráulico das obras de drenagem
compreendem a determinação da área da seção de vazão adequada à descarga
avaliada. O dimensionamento hidráulico foi realizado com a utilização dos princípios
da hidrodinâmica, em que é relevante a equação da continuidade, associada à fórmula
de Manning, de acordo com o Manual de Drenagem de Rodovias – Publicação IPR-,
724 (DNIT, 2006).
No dimensionamento hidráulico dos bueiros, considera-se o fluxo como canal,
processando-se em regimes subcrítico e crítico na maioria dos bueiros. Nessa
circunstância, recorreu-se às tabelas dos parcialmente cheios, para os bueiros
circulares, e aos gráficos, para os celulares. Foram ainda utilizados os nomogramas
da Circular nº 5, do Bureau of Public Roads, notadamente nas obras de maior porte.
Também se considera, na avaliação hidráulica, a obra existente.
3.2 Estimativa de novos parâmetros de dimensionamento
51
Os parâmetros utilizados no projeto para o dimensionamento das estruturas de
drenagem têm fundamentação teórica, basicamente, nos manuais disponibilizados
pelo DNIT. Com o intuito de chegar a valores mais precisos de descarga máxima para
cada bacia, propõe-se, utilizando novos parâmetros, redimensionar os dispositivos
com o mesmo método utilizado no projeto existente.
3.2.1 IDF para a cidade de Santa Maria (RS)
As equações do engenheiro O. Pfafstetter são largamente utilizadas em todo o
Brasil, sendo inclusive indicadas para o cálculo das chuvas intensas pelo manual de
drenagem do DNIT. Para este trabalho, porém, resolveu-se utilizar dados mais
precisos para o dimensionamento das descargas máximas.
Assim, para estimar as intensidades máximas de chuva, poderia ter sido usada
a equação (2), de Belinazo, que foi feita para a cidade de Santa Maria, observando os
dados de chuva do período de 1963 a 1988. Mas essa equação também não seria a
ideal, visto que ela tem 27 anos de dados não observados (1988 a 2015).
Resolveu-se utilizar a equação (3) apresentada por Roman (2015), que
considerou os estudos de Pfafstetter e de Belinazo, chegando a uma série de dados
de 52 anos. Com a atualização da IDF, proposta por Roman, considerando que o ideal
é possuir uma série com pelo menos o dobro do Tempo de Retorno, a confiabilidade
dos seus resultados se encontra para valores de Tr de até 26 anos.
3.2.2 Estimativa do coeficiente de escoamento (c) do método racional
Para a determinação do coeficiente de deflúvio, é fundamental conhecer as
características de uso e ocupação do solo nas áreas das bacias hidrográficas
contribuintes. Por esse motivo, resolveu-se apresentar através do ANEXO G e do
ANEXO H, os mapas da cidade com essas características em relação à urbanização
e à vegetação, respectivamente. Os mapas apresentados foram retirados da
dissertação de mestrado de Carlos Augusto Roman (2015).
52
Um aspecto importante a ser observado é que o projeto determina uma vida útil
para a rodovia, ou seja, ela deverá atender satisfatoriamente as solicitações por um
determinado período. Isto também ocorre para o projeto de drenagem, onde os
dispositivos deverão dar escoamento às vazões durante a fase de construção e
posteriormente durante a vida útil do empreendimento.
Dito isto, e comparando os mapas dos Anexos G e H com a Figura 11, percebe-
se que as áreas das bacias em estudo encontram-se em locais urbanizados, com uma
mescla de áreas residenciais e comerciais, o que é comum acontecer nas margens
de grandes rodovias, como é o caso da obra em estudo.
A duplicação da rodovia trará ainda mais desenvolvimento para as áreas
tangentes a ela. Existe também a construção de um novo shopping, que já está sendo
executado nas suas margens. Esse conjunto de fatores observados remete a um
provável aumento na urbanização das áreas próximas a rodovia, que fazem parte das
bacias contribuintes.
O aumento do número de construções resultará em uma área impermeável
maior que a existente, produzindo maiores descargas a serem drenadas.
No ano de 2009, a prefeitura de Santa Maria instituiu a Lei de Uso e Ocupação
do Solo do Município de Santa Maria, que faz parte do Plano Diretor da cidade. O
Plano Diretor é considerado um instrumento básico de construção política para
desenvolvimento dos municípios e ele propõe uma regulação e ocupação do uso do
solo.
Do Plano Diretor de Santa Maria, o que é relevante para este trabalho é a
definição do termo Índice Verde que é a relação entre a área permeável e a área total
do terreno. A lei define que esse índice não deve ser inferior a 0,18. Portanto, no
mínimo 18% da área de cada terreno deve possibilitar a infiltração da água.
As bacias de contribuição da obra já se encontram em áreas urbanas que
tendem a desenvolver-se mais, pelos fatos explicados anteriormente. Isso deve ser
observado no momento de estimar o coeficiente de escoamento dessas bacias e por
este motivo, este trabalho propõe a atualização, também desse parâmetro para o
cálculo do dimensionamento hidrológico.
Com o objetivo de determinar um coeficiente mais preciso, foi realizada uma
ponderação entre áreas em relação às características de urbanização e vegetação.
53
3.3 Redimensionamento hidrológico
Definindo os novos parâmetros através da metodologia apresentada no item
3.2, serão utilizadas as equações do método racional e do método racional corrigido
(as mesmas do projeto), para determinar os novos valores de descarga máxima.
3.4 Verificação hidráulica dos dispositivos
Neste item é realizado o redimensionamento de alguns dispositivos de
drenagem da obra em estudo (indicados no Quadro 6), utilizando os mesmos métodos
do projeto existente. Isso foi possível para o dimensionamento hidrológico, porque o
projeto existente trouxe detalhadamente a metodologia, conforme item 3.1.1. Para o
dimensionamento hidráulico, porém, o projeto foi menos detalhista, trazendo somente
algumas diretrizes para pesquisa, conforme item 3.1.2.
Para simplificar os cálculos, neste trabalho, a verificação e o dimensionamento
hidráulico foram feitos utilizando a equação da continuidade, relacionada com a
equação de Manning, encontradas no item 2.6.1. As grandezas hidráulicas dos
dispositivos foram determinadas através das relações apresentadas no item 2.6.2.
A equação de Manning (equação 13) determina a vazão admissível que o canal
transpõe nas condições de declividade, rugosidade e diâmetro (bueiros tubulares) ou
largura (bueiros celulares) da seção. Essa vazão deve ser maior que a vazão máxima,
determinada pelo dimensionamento hidrológico.
O dimensionamento hidrológico, portanto, nos dá a vazão máxima a ser
drenada pelo bueiro, enquanto o dimensionamento hidráulico resulta na vazão que o
bueiro suporta.
Se, por exemplo, a vazão máxima for menor do que a admitida pelo bueiro
existente, nas condições em que está instalado, então ele tem suficiência hidráulica e
na duplicação da estrada que o sobrepõe, basta prolongá-lo. No caso de a vazão
máxima superar a admitida pelo bueiro existente, nas condições em que está
instalado, então ele tem insuficiência hidráulica e, na duplicação da estrada que o
sobrepõe, deve ser substituído por outro de maior seção transversal.
54
A metodologia usada neste trabalho para verificar e, se for o caso,
redimensionar os dispositivos de drenagem, é encontrar a vazão admissível do bueiro
existente em cada estaca, através da equação (13) e comparar com a vazão máxima
da sua respectiva bacia. Em caso de insuficiência hidráulica do dispositivo existente,
verificar a solução encontrada pelo projeto. Se para o dispositivo projetado ainda se
caracterizar insuficiência hidráulica, propor uma nova solução que atenda a vazão
máxima calculada.
Para um dimensionamento hidráulico favorável a segurança, usar-se-ão as
vazões máximas maiores entre as do projeto e as calculadas neste trabalho após a
atualização dos parâmetros hidrológicos. Ainda, como foram calculadas vazões para
diferentes tempos de retorno, no dimensionamento hidráulico será considerada a de
maior tempo de recorrência, visto que este trabalho não busca a redução do custo de
implantação de cada dispositivo.
Os efeitos de obstruções parciais de vazão sobre o funcionamento hidráulico
de pontes e bueiros são importantes pois impactam consideravelmente o cálculo de
dimensionamento. O efeito do remanso hidráulico merece especial atenção porque
está intimamente ligado a cota máxima de água na jusante dos condutos. Para que
esse TCC não ficasse extenso demais, não foram feitas as verificações de remanso,
que exige um estudo sobre algumas considerações para o escoamento gradualmente
variado em canais.
55
4 RESULTADOS
4.1 Projeto de drenagem de transposição de talvegues da Travessia Urbana de Santa Maria
Baseado nos estudos hidrológicos do anteprojeto, o projetista encontrou
resultados concernentes às determinações hidrológicas pela aplicação dos métodos
racional e racional corrigido. Na Tabela 3 se encontram, discriminados para cada
bacia estudada neste trabalho, os seguintes elementos:
• Número da obra;
• Localização referida ao eixo locado/projetado, em Km + m;
• Lado de montante, esquerdo ou direito;
• Área da bacia de contribuição;
• Comprimento da bacia;
• Declividade média;
• Tempo de concentração
• Intensidade de precipitação para TR = 15 anos, TR = 25 anos e TR = 50
anos;
• Coeficiente de escoamento;
• Descargas para TR = 15 anos, TR = 25 anos e TR = 50 anos;
• Dispositivo de drenagem existente na estaca;
• Observações sobre as soluções encontradas no projeto.
Os dispositivos responsáveis por drenar vazões maiores, são calculados para
maiores tempos de retorno, enquanto os dispositivos menos importantes, para
menores tempos de retorno. Por esse motivo, nas tabelas de resultados não estão
calculados todos os Tr para todas estruturas. Quando o resultado não aparecer é
porque não era conveniente o cálculo da vazão para aquele tempo de retorno.
56
Tabela 3 - Dimensionamento e soluções do projeto de drenagem existente.
Nº Localização (km+ m) Mont.
Bacia Contribuinte Chuva Pi (mm/h) Coef.
Escoamento [c]
Descarga (m³/s) Bueiros (Tipos e seções)
A (km²)
L (km) i (%) tc.
(min) TR= 15
TR= 25
TR= 50
TR=15 Q15
TR=25 Q25
TR=50 Q50 Existente Observação/Projetado
17 05+514 D 6,70 4,60 1,00% 96,00 54,54 61,17 0,44 36,96 41,45 BDCC 2,50X2,50 Prolongar
20 07+304 D 0,70 1,10 1,20% 30,00 95,77 105,52 0,50 9,32 10,27 BSCC 3,00X3,00 Prolongar
22 09+555 D 0,07 0,35 1,20% 12,00 122,66 130,30 0,52 1,24 1,32 BSTC d=0,80 BSTC d=1,00
25 10+667 D 0,11 0,35 1,30% 14,00 120,03 127,88 0,52 1,91 2,03 BSTC d=0,90 BSTC d=1,00
27 11+865 E 0,65 1,20 1,00% 36,00 82,32 88,76 98,07 0,50 7,44 8,02 8,86 BDTC d=1,20 BDCC 1,50X1,50
57
4.2 Novos parâmetros de dimensionamento
Apoiando-se na equação IDF apresentada por Roman (2015) (equação 3)
foram calculadas as novas intensidades de chuva a serem usadas no método racional
para determinação da descarga máxima. Um comparativo entre os resultados de
intensidade de chuva do projeto e o calculado é apresentado na Tabela 4,
discriminando-os para cada tempo de recorrência utilizado no dimensionamento de
bueiros. Vale lembrar que o método racional considera que a duração da chuva é igual
ao tempo de concentração. Na Tabela 5 é possível comparar o valor das descargas
máximas de projeto e das descargas máximas quando atualizadas as intensidades de
chuva.
Tabela 4 – Comparativo entre as intensidades de chuva - valores obtidos no projeto
executivo com base em Pfafstetter (1957) e neste estudo com base em Roman (2015).
Tabela 5 - Comparativo entre as descargas máximas após a atualização das
intensidades de chuva - valores obtidos no projeto executivo com base em Pfafstetter
(1957) e neste estudo com base em Roman (2015).
Nº Localização (km+ m)
Coef. Escoamento
[c] PROJETO
Descarga (m³/s) - PROJETO
Descarga (m³/s) – CALCULADA
TR=15 Q15
TR=25 Q25
TR=50 Q50
TR=15 Q15
TR=25 Q25
TR=50 Q50
17 05+514 0,44 36,96 41,45 34,08 38,16 20 07+304 0,50 9,32 10,27 10,07 11,28 22 09+555 0,52 1,24 1,32 1,52 1,65 25 10+667 0,52 1,91 2,03 2,23 2,42 27 11+865 0,50 7,44 8,02 8,86 7,75 8,42 9,43
Nº Localização (km+ m)
Chuva Pi (mm/h) - PROJETO Chuva Pi (mm/h) – CALCULADA TR= 15 TR= 25 TR= 50 15 25 50
17 05+514 54,54 61,17 50,30 56,32 20 07+304 95,77 105,52 103,50 115,90 22 09+555 122,66 130,30 149,82 162,84 25 10+667 120,03 127,88 140,14 152,33 27 11+865 82,32 88,76 98,07 85,78 93,24 104,40
58
Observando os valores da Tabela 4 e os gráficos da Figura 13, é possível
perceber que não houveram grandes diferenças nos resultados de intensidade de
chuvas. As intensidades foram maiores quando calculadas pelos novos parâmetros,
excluindo o caso da maior bacia (nº 17). Nas legendas da Figura 13, “Pfafstetter”
representa as curvas utilizadas no projeto e “IDF atualizada” representa as curvas
utilizadas na verificação. Observa-se que elas se comportam de maneira similar para
os tempos de retorno apresentados por Roman (2015).
Com o objetivo de analisar o impacto que a atualização das intensidades de
chuva exerceu no cálculo da descarga máxima, foi construída a Tabela 6.
Comparando-se as descargas máximas encontradas no projeto e as calculadas após
a atualização das intensidades de chuva (Tabela 5), percebe-se que houve um
aumento nas vazões de, em média, 14% para um Tr de 15 anos, 10% para um Tr de
25 anos e 3% para um Tr de 50 anos (Tabela 6). Para calcular o impacto da
atualização, apenas, das intensidades de chuva, o coeficiente de escoamento foi
mantido o mesmo utilizado no projeto.
Tabela 6 - Aumento da vazão em função da atualização da IDF.
Nº Localização (km+ m)
Descarga (m³/s)
TR=15 Q15 TR=25 Q25 TR=50 Q50
17 05+514 Acréscimo da vazão em
função da atualização das intensidades de chuvas
intensas
-8% -8% 20 07+304 8% 10% 22 09+555 22% 25% 25 10+667 17% 19% 27 11+865 4% 5% 6%
Médias 14% 10% 3%
59
Figura 13 - Relação das curvas IDF para o município de Santa Maria para Tr de 15 e 100 anos. (Fonte: Dissertação de mestrado de Carlos Augusto Roman, 2015)
60
Para a determinação do coeficiente de escoamento superficial, foi feita uma
ponderação entre áreas permeáveis e não-permeáveis (vegetação) e ainda se levou
em consideração a ocupação (áreas comerciais, residenciais ou industriais).
Baseando-se nas informações do item 2.4 deste trabalho e na Lei de Uso e Ocupação
do Solo de Santa Maria foram determinados os coeficientes para cada bacia de
contribuição.
Se todas as áreas das bacias forem ocupadas, o que é possível frente ao
desenvolvimento esperado para os próximos anos, e as leis municipais forem
obedecidas, 82% da área poderá tornar-se impermeável (pior caso) e apenas 18% da
área (índice verde) será permeável. Ponderando esses fatores e baseando-se no
Quadro 1, determina-se que o coeficiente de deflúvio para as bacias 20, 22, 25 e 27 é
de c= 0,67. Considerando o pior caso, 18% dessas áreas terão como revestimento
um solo de boa permeabilidade (c= 0,3), enquanto 82% serão ocupadas por
revestimentos primários ou betuminosos (c=0,75). Como essas bacias têm
características semelhantes, e para simplificar o trabalho, usaremos o mesmo valor
de coeficiente de escoamento para todas.
𝑐𝑐 = (0,18𝑥𝑥0,3) + (0,82𝑥𝑥0,75) = 0,67
A bacia nº 17 tem cerca de 20% da sua área composta por florestas com boa
cobertura (c= 0,25), enquanto os outros 80% têm característica semelhantes às outras
bacias (c= 0,67). As florestas retêm uma parte da água precipitada e o coeficiente
deve ser menor. Fazendo uma média ponderada entre o valor do coeficiente
determinado para as outras bacias e o valor para áreas florestais, conclui-se que o
coeficiente de deflúvio para a bacia nº 17 é de c= 0,58.
𝑐𝑐 = (0,8𝑥𝑥0,67) + (0,2𝑥𝑥0,25) = 0,58
Na Tabela 7 estão expostos os coeficientes utilizados no projeto e os estimados
neste trabalho, para cada bacia hidrográfica. Na Tabela 8 é possível comparar o valor
das descargas máximas de projeto e das descargas máximas quando atualizados os
coeficientes de escoamento.
61
Tabela 7 – Comparativo entre os coeficientes de runoff
Nº Localização (km+ m)
Coef. Escoamento [c] -
PROJETO
Coef. Escoamento [c] -
CALCULADO
17 05+514 0,44 0,58 20 07+304 0,50 0,67 22 09+555 0,52 0,67 25 10+667 0,52 0,67 27 11+865 0,50 0,67
Tabela 8 - Comparativo entre as descargas máximas após a atualização dos
coeficientes C do método Racional.
Nº Localização (km+ m)
Chuva Pi (mm/h) - PROJETO
Descarga (m³/s) - PROJETO
Descarga (m³/s) - CALCULADA
TR= 15
TR= 25
TR= 50
TR=15 Q15
TR=25 Q25
TR=50 Q50
TR=15 Q15
TR=25 Q25
TR=50 Q50
17 05+514 54,54 61,17 36,96 41,45 48,71 54,64 20 07+304 95,77 105,52 9,32 10,27 12,49 13,76 22 09+555 122,66 130,30 1,24 1,32 1,60 1,70 25 10+667 120,03 127,88 1,91 2,03 2,46 2,62 27 11+865 82,32 88,76 98,07 7,44 8,02 8,86 9,97 10,75 11,87
Com o objetivo de analisar o impacto que a atualização dos coeficientes de
escoamento exerceu no cálculo da descarga máxima, foi construída a Tabela 9.
Comparando-se as descargas máximas encontradas no projeto e as calculadas após
a atualização dos coeficientes de escoamento (Tabela 8), percebe-se que houve um
aumento nas vazões de, em média, 31% para um Tr de 15 anos, 32% para um Tr de
25 anos e 33% para um Tr de 50 anos (Tabela 9). Para calcular o impacto da
atualização, apenas, dos coeficientes de escoamento, no cálculo da descarga
máxima, as intensidades de chuva foram mantidas as mesmas do projeto.
62
Tabela 9 - Aumento da vazão em função da atualização do coeficiente C.
Nº Localização (km+ m)
Descarga (m³/s)
TR=15 Q15 TR=25 Q25 TR=50 Q50
17 05+514
Acréscimo da vazão em função da atualização dos
coeficientes de escoamento
32% 32% 20 07+304 34% 34% 22 09+555 29% 29% 25 10+667 29% 29% 27 11+865 34% 34% 34%
Médias 31% 32% 33%
4.3 Novas descargas máximas para dimensionamento hidráulico
O dimensionamento hidrológico realizado neste trabalho seguiu a mesma
metodologia do dimensionamento apresentado no projeto. A atualização dos valores
dos parâmetros constituintes da fórmula do método racional, porém, fez com que
fossem encontrados novos valores para a descarga máxima de projeto. Como as
intensidades de chuva e os coeficientes de runoff atualizados foram maiores que
aqueles utilizados no projeto, e pela fórmula do método racional eles tem uma relação
diretamente proporcional com a vazão, esperava-se que as descargas também
fossem maiores.
A planilha de dimensionamento está apresentada na Tabela 11, que contém os
valores das novas vazões, considerando os parâmetros atualizados. A Tabela 10
compara as descargas de projeto com as calculadas neste trabalho.
Tabela 10 - Comparativo entre as descargas máximas após a atualização dos
parâmetros.
Nº Localização (km+ m)
Descarga (m³/s) - PROJETO Descarga (m³/s) - CALCULADA
TR=15 Q15
TR=25 Q25
TR=50 Q50 TR=15 Q15 TR=25 Q25 TR=50
Q50 17 05+514 36,96 41,45 44,93 50,31 20 07+304 9,32 10,27 13,50 15,11 22 09+555 1,24 1,32 1,95 2,12 25 10+667 1,91 2,03 2,87 3,12 27 11+865 7,44 8,02 8,86 10,39 11,29 12,64
63
Tabela 11 - Resultado do dimensionamento hidrológico considerando os novos parâmetros.
Nº Localização (km+ m) Mont.
Bacia Contribuinte Chuva Pi (mm/h) CALCULADA
Coef. Escoamento
[c] CALCULADO
Descarga (m³/s) CALCULADA
A (km²) L (km) i (%) tc.
(min) TR= 15 TR= 25 TR= 50 TR=15 Q15
TR=25 Q25
TR=50 Q50
17 05+514 D 6,70 4,60 1,00% 96,00 50,30 56,32 0,58 44,93 50,31 20 07+304 D 0,70 1,10 1,20% 30,00 103,50 115,90 0,67 13,50 15,11 22 09+555 D 0,07 0,35 1,20% 12,00 149,82 162,84 0,67 1,95 2,12 25 10+667 D 0,11 0,35 1,30% 14,00 140,14 152,33 0,67 2,87 3,12 27 11+865 E 0,65 1,20 1,00% 36,00 85,78 93,24 104,40 0,67 10,39 11,29 12,64
Tabela 12 - Aumento da vazão em função da atualização dos parâmetros de projeto.
Nº Localização
(km+ m) Descarga (m³/s)
TR=15 Q15
TR=25 Q25
TR=50 Q50
17 05+514 Acréscimo da vazão em
função da atualização das intensidades de chuva e dos coeficientes de escoamento
22% 21% 20 07+304 45% 47% 22 09+555 57% 61% 25 10+667 50% 53% 27 11+865 40% 41% 43%
Médias 49% 44% 37%
64
A Tabela 12, apresentada na página anterior, mostra o acréscimo de vazão
máxima, para cada bacia e tempo de retorno, quando no cálculo são utilizados os
parâmetros atualizados no item 4.2. A vazão máxima aumentou, em média, 49% para
um Tr de 15 anos, 44% para um Tr de 25 anos e 37% para um Tr de 50 anos.
4.4 Análise das soluções de projeto e soluções propostas
Partindo das maiores descargas encontradas para cada bacia, primeiramente
verificou-se como os dispositivos existentes na rodovia se comportariam com a nova
carga hidráulica. Na sequência verificou-se como os dispositivos, dados como solução
pelo projeto, se comportarão. Então, nas tabelas apresentadas na sequência, para
cada bacia tem-se: Coeficiente de Rugosidade de Manning que foi extraído do Quadro
3; declividade, que é diferença entre as cotas de montante e jusante dividido pela
distância horizontal entre elas, ou seja, são as condições topográficas referentes ao
terreno de onde o bueiro está instalado ou será projetado; base, altura, diâmetro,
tirante, ângulo ϕ, área molhada, perímetro molhado, são grandezas hidráulicas
relacionadas à seção de cada bueiro e o nível máximo de água considerado dentro
dele; vazão admissível – 1 linha é a vazão que o respectivo bueiro transpõe sendo
simples, ou seja, com 1 linha de condução; vazão admissível – 2 linhas é a vazão que
o respectivo bueiro transpõe sendo duplo, ou seja, com 2 linhas de condução.
Para a verificação e dimensionamento hidráulico, o DNIT sugere que, para
bueiros trabalhando como canal, como é o caso do dimensionamento deste trabalho,
se estabeleça uma folga de projeto de no mínimo 75% em relação ao enchimento da
seção. Em outras palavras, o tirante hidráulico deve ser calculado; para tubulares
multiplicando o diâmetro por 0,75; para celulares multiplicando a altura da seção por
0,75.
65
4.4.1 Bueiro nº 17
A vazão de descarga máxima calculada, proveniente da bacia para um tempo
de retorno de 50 anos, foi de 50,31 m³/s. O dispositivo existente é um
BDCC(2,50x2,50m) instalado com uma declividade de 0,45%. O tirante hidráulico
admissível (75% da altura) é 1,88m. (Tabela 13).
Nestas condições, o bueiro em questão é capaz de transpor 39,93 m³/s, valor
de vazão menor que a máxima. Portanto o bueiro deve ser substituído.
O projeto, porém, não prevê a substituição deste bueiro, mas apenas o
prolongamento. Um detalhe importante é que o BDCC(2,50x2,50m) está projetado
para uma declividade de 1,10%, enquanto o existente está instalado com uma
declividade de 0,45%. O aumento da declividade, visto que o tirante hidráulico
permanece constante, resulta em um aumento na vazão admissível de 39,93 m³/s
para 62,44 m³/s (56%), dando ao dispositivo suficiência hidráulica. A verificação do
bueiro projetado encontra-se na Tabela 14.
4.4.2 Bueiro nº 20
A vazão de descarga máxima calculada, proveniente da bacia para um tempo
de retorno de 50 anos, foi de 15,11 m³/s. O dispositivo existente é um
BSCC(3,00x3,00m) instalado com uma declividade de 1,02%. O tirante hidráulico
admissível (75% da altura) é 2,25m. (Tabela 13).
Nestas condições, o bueiro em questão é capaz de transpor 48,88 m³/s, valor
de vazão maior que a máxima. Portanto o bueiro tem suficiência hidráulica.
O projeto sugere o prolongamento do BSCC(3,00x3,00m) com uma declividade
de 2%, aumentando ainda mais a capacidade deste bueiro, de 48,88 m³/s para 68,45
m³/s (40%). A verificação do bueiro projetado encontra-se na Tabela 14.
66
4.4.3 Bueiro nº 22
A vazão de descarga máxima calculada, proveniente da bacia para um tempo
de retorno de 25 anos, foi de 2,12 m³/s. O dispositivo existente é um BSTC(0,80m)
instalado com uma declividade de 3,10%. O tirante hidráulico admissível (75% da
altura) é 0,60m. (Tabela 15).
Nestas condições, o bueiro em questão é capaz de transpor 2,12 m³/s, valor de
vazão igual ao da máxima. Portanto o bueiro tem suficiência hidráulica, mas em caso
de cheia, trabalha com a capacidade total admitida.
O projeto prevê a instalação de um BSTC(1,00m), com a mesma declividade,
aumentando a capacidade do bueiro de 2,12 m³/s para 3,85 m³/s (81%). A verificação
do bueiro projetado encontra-se na Tabela 16.
4.4.4 Bueiro nº 25
A vazão de descarga máxima calculada, proveniente da bacia para um tempo
de retorno de 25 anos, foi de 3,12 m³/s. O dispositivo existente é um BSTC(0,90m)
instalado com uma declividade de 2,86%. O tirante hidráulico admissível (75% da
altura) é 0,67m. (Tabela 15).
Nestas condições, o bueiro em questão é capaz de transpor 2,79 m³/s, valor de
vazão menor que a máxima. Portanto o bueiro tem insuficiência hidráulica e precisa
ser substituído.
O projeto sugere a instalação de um BSTC(1,00m) com declividade igual ao
existente, proporcionando um aumento na vazão admissível de 2,79 m³/s para 3,70
m³/s (32%), tornando o bueiro capaz de escoar a descarga máxima. A verificação do
bueiro projetado encontra-se na Tabela 16.
67
4.4.5 Bueiro nº 27
A vazão de descarga máxima calculada, proveniente da bacia para um tempo
de retorno de 50 anos, foi de 12,64 m³/s. O dispositivo existente é um BDTC(1,20m)
instalado com uma declividade de 2,54%. O tirante hidráulico admissível (75% da
altura) é 0,90m. (Tabela 15).
Nestas condições, o bueiro em questão é capaz de transpor 11,33 m³/s, valor
de vazão menor que a máxima. Portanto o bueiro tem insuficiência hidráulica e precisa
ser substituído.
O projeto sugere a instalação de um BDCC(1,50x1,50m) com declividade igual
à do bueiro existente, proporcionando um aumento na vazão admissível de 11,33
m³/s para 24,30 m³/s (114%), tornando o bueiro capaz de transpor a descarga máxima.
A verificação do bueiro projetado encontra-se na Tabela 16.
68
Tabela 13 - Verificação hidráulica para os bueiros celulares existentes.
Nº Localização (km+ m)
Descarga (m³/s) - MÁXIMA Dispositivo
Existente
Coef. Rugosidade
Manning
Declividade (m/m)
Base B
(m)
Altura H (m)
Tirante (m) = 0,75H
Área Molhada
(m²)
Perímetro molhado
(m)
Vazão admissível
- 1 linha (m³/s)
Vazão admissível - 2 linhas
(m³/s) TR=15
Q15 TR=25
Q25 TR=50
Q50 17 05+514 44,93 50,31 BDCC
2,50X2,50 0,013 0,0045 2,50 2,50 1,88 4,69 6,25 19,97 39,93
20 07+304 13,50 15,11 BSCC 3,00X3,00 0,013 0,0102 3,00 3,00 2,25 6,75 7,5 48,88
Tabela 14 - Verificação hidráulica para os bueiros celulares projetados.
Nº Localização (km+ m)
Descarga (m³/s) - MÁXIMA Dispositivo
Projetado
Coef. Rugosidade Manning
Declividade (m/m)
Base B (m)
Altura H (m)
Tirante (m) = 0,75H
Área Molhada (m²)
Perímetro
molhado (m)
Vazão admissível - 1 linha
(m³/s)
Vazão admissível - 2 linhas
(m³/s) TR=15 Q15
TR=25 Q25
TR=50 Q50
17 05+514 44,93 50,31 BDCC 2,50X2,50 0,013 0,0110 2,50 2,50 1,88 4,69 6,25 31,22 62,44
20 07+304 13,50 15,11 BSCC 3,00X3,00 0,013 0,0200 3,00 3,00 2,25 6,75 7,5 68,45
69
Tabela 15 - Verificação hidráulica para os bueiros tubulares existentes.
Nº Localização (km+ m)
Descarga (m³/s) - CALCULADA Dispositivo
Existente
Coef. Rugosid. Manning
Declivid. (m/m)
Diâm. D (m)
Tirant. d (m)
= 0,75D
φ (rad) sen φ Área mol. (m²)
Perím. mol. (m)
Vazão admissível - 1 linha
(m³/s)
Vazão admissível - 2 linhas
(m³/s) TR=15
Q15 TR=25
Q25 TR=50
Q50
22 09+555 1,95 2,12 BSTC d=0,80 0,013 0,031 0,8 0,6 4,189 -
0,866 0,404 1,676 2,12
25 10+667 2,87 3,12 BSTC d=0,90 0,013 0,0286 0,9 0,675 4,189 -
0,866 0,512 1,885 2,79
27 11+865 10,39 11,29 12,64 BDTC d=1,20 0,013 0,0254 1,2 0,9 4,189 -
0,866 0,910 2,513 5,67 11,33
Tabela 16 - Verificação hidráulica para os bueiros tubulares e celular projetados.
Nº Local. (km+ m)
Descarga (m³/s) - CALCULADA Disposit.
Projetado
Coef. Rugosid. Manning
Decliv. (m/m)
Diâm. D (m)
Tirant d (m)
= 0,75D
φ (rad) sen φ Área Mol. (m²)
Perímetro mol. (m)
Vazão admissível - 1 linha
(m³/s)
Vazão admissíve
l - 2 linhas (m³/s)
TR=15 Q15
TR=25 Q25
TR=50 Q50
22 09+555 1,95 2,12 BSTC d=1,00 0,013 0,031 1 0,75 4,189 -0,866 0,632 2,094 3,85
25 10+667 2,87 3,12 BSTC d=1,00 0,013 0,0286 1 0,75 4,189 -0,866 0,632 2,094 3,70
Nº Localização (km+
m)
Descarga (m³/s) - MÁXIMA Dispositiv
o Projetado
Coef. Rugosidade Manning
Declividade (m/m)
Base B (m)
Altura H (m)
Tirante (m)
= 0,75H
Área Molhada (m²)
Perímetro
molhado (m)
Vazão admissível - 1 linha
(m³/s)
Vazão admissíve
l - 2 linhas (m³/s)
TR=15
Q15 TR=25
Q25 TR=50
Q50
27 11+865 10,39 11,29 12,64 BDCC 1,50X1,50 0,013 0,0254 1,50 1,50 1,125 1,688 3,750 12,149 24,30
70
5 CONCLUSÃO
Ficou evidente no desenvolvimento deste trabalho a importância que as
rodovias exercem para o crescimento das regiões que interligam. As rodovias BR-158
e BR-287 são fundamentais para o desenvolvimento da cidade de Santa Maria e
também do estado do Rio Grande do Sul. A duplicação e o melhoramento do trecho
circundante ao polo urbano são necessários frente ao aumento notável do tráfego,
tanto de cargas, quanto de automóveis leves.
A durabilidade das construções rodoviárias é outro fator importante, visto que
se tratam de construções pesadas e de grande mobilização para reparos. Por este
motivo os projetos de drenagem são de fundamental importância, porque afastam as
águas que chegam ao corpo da rodovia, impedindo a ocorrência das ações danosas
da água sobre as estradas.
Para determinar os diversos fatores que interferem no dimensionamento dos
dispositivos de drenagem, são necessários estudos topográficos, geotécnicos,
hidrológicos e a adoção de métodos concernentes para cada dimensionamento.
Os parâmetros apresentados pelo projeto para o cálculo da descarga máxima
das bacias (intensidades de chuva e coeficientes de escoamento) foram considerados
menos precisos do que os propostos neste trabalho, e por isso foi feita uma
atualização destes parâmetros, gerando um acréscimo final de vazão de, em média,
43%. Cerca de 10% foi devido a atualização das intensidades de chuva e 33% devido
a atualização dos coeficientes de escoamento, mostrando que o impacto do
coeficiente de escoamento é consideravelmente maior que o de intensidades de
chuva, e de grande importância, na determinação das vazões geradas pelas bacias
hidrográficas a serem drenadas pelas estruturas de drenagem.
Em relação ao dimensionamento hidráulico do projeto, ou seja, às soluções
propostas na escolha dos dispositivos de drenagem, mesmo que tenha considerado
uma vazão inferior à calculada com os parâmetros atualizados, pode-se dizer que as
estruturas previstas têm suficiência hidráulica e serão capazes de drenar as águas
provenientes das bacias hidrográficas, mesmo com o aumento da ocupação e
impermeabilidade do solo nos próximos anos. Ao calcular, através da fórmula de
Manning, as vazões admissíveis para cada dispositivo, confirmou-se que a declividade
71
do bueiro tem uma relação direta com a vazão e que em alguns casos, como no bueiro
nº 17, não é necessário usar um dispositivo com dimensões maiores ou mais linhas,
mas basta aumentar a declividade para aumentar a vazão admissível.
Desta forma, conclui-se que o objetivo deste trabalho foi alcançado, com uma
revisão teórica sobre definições e métodos utilizados nos dimensionamentos
hidrológicos e hidráulicos; com um processo intermediário, que foi a atualização dos
parâmetros de projeto que foram considerados menos precisos; e a verificação de
suficiência hidráulica dos dispositivos existentes e projetados.
No sentido de estimular novas pesquisas na área, destaca-se que a verificação
do remanso hidráulico é muito importante e não foi realizada nesse TCC. Existe uma
bibliografia variada para o dimensionamento de condutos forçados (com carga
hidráulica), que merece ser analisada, chegando-se a conclusões mais precisas no
dimensionamento de dispositivos de drenagem. Em relação às bacias hidrográficas,
nesse TCC foram analisadas bacias pequenas, logo todas as soluções foram bueiros.
Para maiores bacias, temos maiores vazões e em certo momento, somente a
implantação de pontes é capaz de drenar a vazão de pico da bacia. São métodos de
obtenção de vazão e de dimensionamento hidráulico que merecem ser estudados e
que darão maior amplitude às soluções dos projetos de drenagem rodoviária.
72
6 BIBLIOGRAFIA
AGÊNCIA NACIONAL DAS ÁGUAS. ANA. Brasília, 2015. Disponível em: <http://www2.ana.gov.br/Paginas/default.aspx>. Acesso em: 12 set. 2015. ALMEIDA, G. C. (Coord.). Drenagem rodoviária. Notas de Aula, 2007. 160 f. CONSÓRCIO TRAVESSIA. Projeto Básico de Engenharia para Duplicação e Reabilitação da Pista Existente, Implantação de Ruas Laterais e Restauração/Construção de Obras-de-Arte Especiais BR-158/287/RS – Travessia Urbana de Santa Maria. DNIT. Álbum de projetos-tipo de dispositivos de drenagem. 4 ed. Rio de Janeiro, 2011. n.p. (IPR. Publ., 736) ____. Diretrizes básicas para estudos e projetos rodoviários: escopos básicos / instruções de serviço. 3. ed. Rio de Janeiro, 2006. 484 p. (IPR. Publ., 726) ____. Manual de drenagem de rodovias. 2. ed. Rio de Janeiro, 2006. 333 p. (IPR. Publ., 724). ____. Manual de hidrologia básica para estruturas de drenagem. 2. ed. Rio de Janeiro, 2005. 122 p. EM menos de meia hora, chuvarada provoca alagamentos em Santa Maria. Diário de Santa Maria, Santa Maria, 28 jan. 2015. Disponível em: <http://diariodesantamaria.clicrbs.com.br/rs/geral-policia/noticia/2015/01/em-menos-de-meia-hora-chuvarada-provoca-alagamentos-em-santa-maria-4689548.html. Acesso em: 12 set. 2015. PEREIRA, A. L. Drenagem de rodovias e ferrovias. Rio de Janeiro: Livro Técnico, 1959. 73 p. PORTO, R. M. Hidráulica básica. 3. ed. São Carlos: EESC-USP, 2004. 540 p. ROMAN, C. A. Controle da drenagem na fonte e sua compatibilização ao Plano Municipal de Saneamento Ambiental de Santa Maria. 2015. 144 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, 2015. SANTA MARIA (RS). Prefeitura. Lei de uso e ocupação do solo do município de Santa Maria – RS. Santa Maria, 2009.
73
SARTORI, A.; NETO, F. L.; GENOVEZ, A. M. Classificação hidrológica de solos brasileiros para a extimativa da chuva excedente com o método do serviço de conservação do solo dos Estados Unidos parte 1: Classificação. RBRH. V 10 n.4 Out/Dez 2005, 5-18. SILVEIRA, A. L. L. Desempenho de fórmulas de tempo de concentração em bacias urbanas e rurais. RBRH. V 10 n.1 Jan/Mar 2005, 5-23. TUCCI, C. E. M. Hidrologia: Ciência e Aplicação. Porto Alegre: Ed. UFRGS/ABRH, 4. ed., 2012. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA. Pró-Reitoria de Pós-Graduação e Pesquisa. Estrutura e apresentação de monografias, dissertações e teses: MDT. - 6 ed. rev. e ampl. – Santa Maria: Ed. da UFSM, 2006. 67 p. UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ. Setor de Tecnologia. Dispositivos de drenagem para obras rodoviárias. Apostila, 2007. 41 p.
74
ANEXOS
75
ANEXO A - Projeto Geométrico do Bueiro - Km 5+514
76
77
ANEXO B - Projeto Geométrico do Bueiro - Km 7+304
78
ANEXO C - Projeto Geométrico do Bueiro - Km 9+555
79
ANEXO D - Projeto Geométrico do Bueiro - Km 10+667
80
ANEXO E - Projeto Geométrico do Bueiro - Km 11+865
81
82
ANEXO F - Gráficos das cargas pluviométricas obtidos pela equação definida por O.
Pfafstetter.
83
ANEXO G - Mapa de Santa Maria do uso e ocupação do solo em função da
urbanização.
84
ANEXO H - Mapa de Santa Maria do uso e ocupação do solo em função da vegetação
![Brennan Manning ● Confiança Cega [algumas páginas]](https://static.fdocumentos.com/doc/165x107/57906cf31a28ab68748dcc73/brennan-manning-confianca-cega-algumas-paginas.jpg)
