O presente trabalho foi desenvolvido no Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul com o apoio de Furnas Centrais Elétricas S.A., fazendo parte do Projeto de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) intitulado “Análise da Macroturbulência em Dissipadores por Ressalto Hidráulico”. O ressalto hidráulico é amplamente utilizado na dissipação de energia a jusante de obras hidráulicas, sendo o processo de dissipação associado à flutuação de velocidades, níveis e pressões. Devido aos danos causados às estruturas de dissipação de energia ao longo dos anos, em função de problemas atribuídos à fadiga, cavitação e ressonância, o entendimento do ressalto hidráulico como forma de dissipação de energia tem assumido papel importante. A caracterização do campo de pressões junto ao fundo de bacias de dissipação é de interesse prático para os projetistas de obras hidráulicas na busca de um dimensionamento eficiente e econômico. O presente trabalho tem o objetivo de avaliar o campo de pressões em ressalto hidráulico formado a jusante de uma comporta, propondo uma metodologia que permita estimar os valores de pressões extremas associadas a diferentes probabilidades de ocorrência e graus de submergência. Através das metodologias de adimensionalização utilizadas foi possível avaliar e quantificar os efeitos atribuídos à submergência sobre a distribuição longitudinal da pressão média, do desvio padrão e do coeficiente estatístico de distribuição de probabilidades (N), permitindo a implementação de uma metodologia de previsão de pressões para o ressalto hidráulico submergido. A metodologia proposta nesse trabalho se mostrou eficiente em suas previsões, apresentando, na maioria dos ensaios, diferenças relativas inferiores a 15% entre os valores verificados e os previstos pelo modelo para as probabilidades extremas referentes à posição de máxima flutuação de pressão. / This present work was developed at the Postgraduate in Water and Environmental Engineering of the Hydraulic Research Institute of Federal University of Rio Grande do Sul State being undertaken in collaboration with Furnas Centrais Elétricas S.A., as part of a Research and Development (R&D) project entitled “Macroturbulence Analysis of Hydraulic Jump Stilling Basins”. The hydraulic jump is widely used in energy dissipation downstream hydraulic works, being a process of dissipation associated to the fluctuations of velocity, water level and pressure. Due to the damage caused to energy dissipation structures through the years, by problems related to stress, cavitation and resonance, the understanding of the hydraulic jump as a form of dissipation has attained an important role. The characterization of the pressure fields in the bottom of stilling basins is of practical use to the designers of hydraulic works looking for efficient and economical dimensioning. The purpose of this is to evaluate the pressure field in a hydraulic jump downstream a sluice gate, proposing a methodology that allows evaluating extremes pressure values associated with the occurrence of different probabilities and different levels of submergence. Through the use of adimensionalisation methodologies it was possible to evaluate and quantify the effects attributed to the submergence on the longitudinal distribution of average pressure, standard deviation and the statistic coefficient of probability distribution (N), allowing the implementation of a pressure prediction methodology for the submerged hydraulic jump. The methodology proposed in this work was efficient in its predictions, presenting, in most tests, relative differences inferior to 15% between real values and estimated values expected by the model to extreme probabilities referring to the position of maximum pressure fluctuation.

O presente trabalho foi desenvolvido no Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul com o apoio de Furnas Centrais Elétricas S.A., fazendo parte do Projeto de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) intitulado “Análise da Macroturbulência em Dissipadores por Ressalto Hidráulico”. O ressalto hidráulico é amplamente utilizado na dissipação de energia a jusante de obras hidráulicas, sendo o processo de dissipação associado à flutuação de velocidades, níveis e pressões. Devido aos danos causados às estruturas de dissipação de energia ao longo dos anos, em função de problemas atribuídos à fadiga, cavitação e ressonância, o entendimento do ressalto hidráulico como forma de dissipação de energia tem assumido papel importante. A caracterização do campo de pressões junto ao fundo de bacias de dissipação é de interesse prático para os projetistas de obras hidráulicas na busca de um dimensionamento eficiente e econômico. O presente trabalho tem o objetivo de avaliar o campo de pressões em ressalto hidráulico formado a jusante de uma comporta, propondo uma metodologia que permita estimar os valores de pressões extremas associadas a diferentes probabilidades de ocorrência e graus de submergência. Através das metodologias de adimensionalização utilizadas foi possível avaliar e quantificar os efeitos atribuídos à submergência sobre a distribuição longitudinal da pressão média, do desvio padrão e do coeficiente estatístico de distribuição de probabilidades (N), permitindo a implementação de uma metodologia de previsão de pressões para o ressalto hidráulico submergido. A metodologia proposta nesse trabalho se mostrou eficiente em suas previsões, apresentando, na maioria dos ensaios, diferenças relativas inferiores a 15% entre os valores verificados e os previstos pelo modelo para as probabilidades extremas referentes à posição de máxima flutuação de pressão. / This present work was developed at the Postgraduate in Water and Environmental Engineering of the Hydraulic Research Institute of Federal University of Rio Grande do Sul State being undertaken in collaboration with Furnas Centrais Elétricas S.A., as part of a Research and Development (R&D) project entitled “Macroturbulence Analysis of Hydraulic Jump Stilling Basins”. The hydraulic jump is widely used in energy dissipation downstream hydraulic works, being a process of dissipation associated to the fluctuations of velocity, water level and pressure. Due to the damage caused to energy dissipation structures through the years, by problems related to stress, cavitation and resonance, the understanding of the hydraulic jump as a form of dissipation has attained an important role. The characterization of the pressure fields in the bottom of stilling basins is of practical use to the designers of hydraulic works looking for efficient and economical dimensioning. The purpose of this is to evaluate the pressure field in a hydraulic jump downstream a sluice gate, proposing a methodology that allows evaluating extremes pressure values associated with the occurrence of different probabilities and different levels of submergence. Through the use of adimensionalisation methodologies it was possible to evaluate and quantify the effects attributed to the submergence on the longitudinal distribution of average pressure, standard deviation and the statistic coefficient of probability distribution (N), allowing the implementation of a pressure prediction methodology for the submerged hydraulic jump. The methodology proposed in this work was efficient in its predictions, presenting, in most tests, relative differences inferior to 15% between real values and estimated values expected by the model to extreme probabilities referring to the position of maximum pressure fluctuation.

O presente trabalho foi desenvolvido no Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul com o apoio de Furnas Centrais Elétricas S.A., fazendo parte do Projeto de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) intitulado “Análise da Macroturbulência em Dissipadores por Ressalto Hidráulico”. O ressalto hidráulico é amplamente utilizado na dissipação de energia a jusante de obras hidráulicas, sendo o processo de dissipação associado à flutuação de velocidades, níveis e pressões. Devido aos danos causados às estruturas de dissipação de energia ao longo dos anos, em função de problemas atribuídos à fadiga, cavitação e ressonância, o entendimento do ressalto hidráulico como forma de dissipação de energia tem assumido papel importante. A caracterização do campo de pressões junto ao fundo de bacias de dissipação é de interesse prático para os projetistas de obras hidráulicas na busca de um dimensionamento eficiente e econômico. O presente trabalho tem o objetivo de avaliar o campo de pressões em ressalto hidráulico formado a jusante de uma comporta, propondo uma metodologia que permita estimar os valores de pressões extremas associadas a diferentes probabilidades de ocorrência e graus de submergência. Através das metodologias de adimensionalização utilizadas foi possível avaliar e quantificar os efeitos atribuídos à submergência sobre a distribuição longitudinal da pressão média, do desvio padrão e do coeficiente estatístico de distribuição de probabilidades (N), permitindo a implementação de uma metodologia de previsão de pressões para o ressalto hidráulico submergido. A metodologia proposta nesse trabalho se mostrou eficiente em suas previsões, apresentando, na maioria dos ensaios, diferenças relativas inferiores a 15% entre os valores verificados e os previstos pelo modelo para as probabilidades extremas referentes à posição de máxima flutuação de pressão. / This present work was developed at the Postgraduate in Water and Environmental Engineering of the Hydraulic Research Institute of Federal University of Rio Grande do Sul State being undertaken in collaboration with Furnas Centrais Elétricas S.A., as part of a Research and Development (R&D) project entitled “Macroturbulence Analysis of Hydraulic Jump Stilling Basins”. The hydraulic jump is widely used in energy dissipation downstream hydraulic works, being a process of dissipation associated to the fluctuations of velocity, water level and pressure. Due to the damage caused to energy dissipation structures through the years, by problems related to stress, cavitation and resonance, the understanding of the hydraulic jump as a form of dissipation has attained an important role. The characterization of the pressure fields in the bottom of stilling basins is of practical use to the designers of hydraulic works looking for efficient and economical dimensioning. The purpose of this is to evaluate the pressure field in a hydraulic jump downstream a sluice gate, proposing a methodology that allows evaluating extremes pressure values associated with the occurrence of different probabilities and different levels of submergence. Through the use of adimensionalisation methodologies it was possible to evaluate and quantify the effects attributed to the submergence on the longitudinal distribution of average pressure, standard deviation and the statistic coefficient of probability distribution (N), allowing the implementation of a pressure prediction methodology for the submerged hydraulic jump. The methodology proposed in this work was efficient in its predictions, presenting, in most tests, relative differences inferior to 15% between real values and estimated values expected by the model to extreme probabilities referring to the position of maximum pressure fluctuation.

Esta dissertação tem como enfoque principal abordar o tema de esforços nas amarras das embarcações durante o processo de eclusagem. A principal motivação foi a busca em atender a legislação brasileira, a qual vem incentivando a utilização do transporte hidroviário e a construção de novas eclusas, tendo em vista a atratividade econômica deste meio de transporte. O estudo foi desenvolvido a partir da modelagem e elaboração de um sistema de medição de esforços, almejando a verificação de sua aplicabilidade na previsão de esforços sobre as amarrações das embarcações. A investigação dos esforços hidrodinâmicos sofridos pela embarcação durante o enchimento e esvaziamento das eclusas de alta queda foi possível com a construção deste sistema de medição em um modelo reduzido de uma eclusa de alta queda. Foram realizados 42 ensaios para diferentes situações iniciais, variando a composição e o peso total da embarcação, bem como a velocidade de abertura da comporta dos condutos de enchimento e esvaziamento da eclusa. A realização destes ensaios permitiu a confirmação das relações existentes entre esforços máximos medidos com o aumento da velocidade de abertura das comportas de enchimento e esvaziamento e entre os esforços máximos com o peso deslocado e área ocupada pela embarcação na eclusa. Possibilitou, também, a constatação de que os valores dos esforços máximos durante o processo de enchimento são superiores àqueles verificados no esvaziamento da câmara da eclusa. A partir destes resultados, foram propostas duas equações que relacionam a razão da força máxima pelo peso da embarcação com a razão das áreas da embarcação com a da câmara da eclusa e com o próprio peso da embarcação, evidenciando a relação existente entre a força máxima com o peso e a área da embarcação. / This piece of work disserts about the hawser forces in the vessels during the lock operational. The main motivation was the quest to attend the Brazilian legislation, which has encouraged the use of the hydroways and construction of new locks, in view of the economic attractiveness of this transportation medium. The study was developed from the modeling and development of a measurement system of hawser forces, aiming to verify its applicability in forecasting the vessels mooring forces. The investigation of hydrodynamics forces suffered by the vessel during the process of filling and emptying high lift locks became possible with construction of this measuring system in a reduced scaled model of a generic high lift lock. There was realized 42 tests with different initial conditions, varying the vessel´s size and its total weight, as well, varying the gate´s opening velocity localized in the conducts of the filling and emptying system. This tests made it possible to confirm the existence of relationship between maximum hawser forces and this gate´s opening speed and the vessel´s size and its total weight. With this tests, it became viable to find out that the values of maximum hawser forces during the lock´s chamber filling process are greater than during its emptying process. From these results, it was proposed two formulas relating the ratio of maximum hawser force with the vessel´s weight and the ratio of the area occupied by the vessel with the lock chamber area and, as well, the vessel´s weight. This showed the existence of relationship between the maximum hawser forces and the vessel´s weight and its area.

Eclusas de navegação são estruturas utilizadas para transposição de desníveis por embarcações. Estes desníveis podem ser causados por obstáculos naturais ou artificiais. As eclusas de navegação devem ter como principais características a realização de uma transposição rápida e segura das embarcações. O estudo dos escoamentos a jusante das comportas nos condutos de enchimento e esvaziamento das eclusas são de grande importância, pois são escoamentos altamente turbulentos e com altas velocidades e regiões de baixas pressões, essas, por sua vez, podem ocasionar o fenômeno de cavitação. A cavitação tem efeitos nocivos às estruturas, podendo causar desde vibrações até a erosão nas estruturas de concreto. Esta pesquisa busca verificar o comportamento e desenvolver critérios para estimar as pressões mínimas a jusante de comporta tipo segmento invertida, quando da operação da mesma em condutos de enchimento e esvaziamento de eclusas de navegação. Para atendimento desses objetivos, foi construído, no laboratório de hidráulica experimental LAHE, um modelo hidráulico reduzido de uma eclusa de navegação, onde foram realizados os ensaios com medição de pressões “instantâneas” a jusante da comporta no teto e na base do conduto. Essas medições foram realizadas para diferentes condições de aberturas e cargas a montante da comporta em regime permanente e em regime transitório, onde foram utilizadas diferentes velocidades de operação da comporta. Através das análises das pressões, foi possível verificar que a condição em regime permanente é mais crítica que a em regime transitório, sugerindo que se utilize esta situação para a previsão das pressões mínimas que podem ocorrer durante a operação da comporta. / Navigation Locks are structures used for raising and lowering boats between stretches of water of different levels on rivers due to natural or artificial obstacles. Navigation Locks’ design shall aim a safe and fast boat transposition. The study of flow downstream of tainter gates inside the conduits is important because of the flow characteristics that are highly turbulent and with areas of low pressure. The occurrence of low pressure may induce the cavitation phenomenon which causes severe damages, going from vibration to erosion in concrete structures. This research aims to verify the behavior and to develop a criterion to estimate low flow pressures downstream of a tainter gate during its operation in conduits of navigation locks during the chamber filling and empting. To fulfill this aim, it has been built, at the hydraulic experimental lab of Furnas, a reduced scale model of a navigation lock, where were held studies with instantaneous measure of pressure downstream the gate, both in the upper and lower conduit level. Those studies were made for different conditions of the gate’s aperture and water level upstream it for both permanent and transitory flows. Different speeds of gate aperture were also studied. By analyzing the results it was possible to conclude that, regarding to minimum pressures, the permanent flow condition is more severe than the transitory one indicating that the former shall be used to predict the lower pressures in similar conditions.

A ocorrência de vibrações induzidas pelo escoamento em estruturas hidráulicas é um fenômeno altamente indesejável, pois pode causar uma série de problemas de funcionamento, manutenção e em alguns casos pode ocasionar até mesmo o colapso da estrutura em questão. Apesar disso, esse aspecto ainda é considerado como um elemento secundário de projeto. O estudo numérico desse fenômeno ainda é extremamente complexo, fazendo-se necessário o uso de modelos em escala reduzida das estruturas reais para a estimativa do comportamento dinâmico dessas estruturas. A modelagem do comportamento dinâmico de estruturas submetidas ao escoamento de água é denominada de modelagem hidroelástica. Para a aplicação correta da modelagem hidroelástica é fundamental um entendimento profundo sobre os aspectos básicos dos fenômenos hidráulicos e mecânicos atuantes na estrutura. O presente trabalho concentrou-se na investigação experimental de alguns aspectos básicos do fenômeno de vibrações induzidas por vórtices em estruturas cilíndricas, com o objetivo de ampliar a base de conhecimento existente sobre esse fenômeno e, dessa forma, contribuir para o aperfeiçoamento das técnicas de modelagem hidroelástica. Vale ressaltar que existem outros mecanismos de instabilidade causadores de vibrações, além do desprendimento de vórtices, que não foram abordados nesta dissertação. Os aspectos básicos abordados neste trabalho foram os seguintes: • Razão de Aspecto L/D – razão entre o comprimento do cilindro exposto ao escoamento e seu diâmetro; • Parâmetro de massa-amortecimento (m*+CA)ζ − parâmetro adimensional formado pelo produto entre a massa da estrutura e seu amortecimento ζ. Para a investigação experimental foram ensaiados cilindros rígidos elasticamente montados e pivotados na base, submetidos ao escoamento permanente de água em canal aberto, com dois graus de liberdade para oscilar. Apesar da liberdade para oscilar em duas direções, o presente trabalho concentrou-se apenas nas vibrações transversais à direção do escoamento. Os cilindros empregados possuem diferentes diâmetros, diferentes massas e dois tipos de molas para a fixação elástica. A variação desses parâmetros resultou em comportamentos oscilatórios diferentes, caracterizados através da medição das acelerações no topo do cilindro, que posteriormente foram convertidos em valores de deslocamento no topo do cilindro. O comportamento oscilatório dos cilindros foi descrito através de curvas de amplitudes adimensionais A/D, ou seja, amplitude de oscilação dividida pelo diâmetro do cilindro, e curvasde freqüência adimensional fd/fna, ou seja, freqüência de oscilação dominante (fd) dividida pela freqüência natural da estrutura na água (fna). Como principais resultados dessa investigação experimental pode-se ressaltar os seguintes pontos: • O parâmetro (m*+CA)ζ não influencia de maneira significativa o comportamento oscilatório do sistema em termos de freqüência adimensional (fd/fna); • Demonstrou-se a influência da razão de aspecto sobre as amplitudes máximas de oscilação, em conjunto com o uso do parâmetro (m*+CA)ζ. As amplitudes máximas de oscilação sofreram redução com o aumento da razão de aspecto dos cilindros, para valores de L/D entre 6 e 20. O comportamento das amplitudes máximas de oscilação com relação ao parâmetro (m*+CA)ζ apresentou um comportamento mais complexo, dependendo da razão de aspecto ensaiada; • Alguns ensaios colocam em dúvida a validade do uso do parâmetro (m*+CA)ζ para representar de forma combinada as variações do amortecimento estrutural e razão de massa, pelo menos para a configuração experimental adotada e valores de (m*+CA)ζ < 0,074. / The occurrence of flow-induced vibrations in hydraulic structures is a highly undesirable phenomenon, because it can cause a series of operational and maintenance problems, and in some cases it can cause even the collapse of the structure. In spite of that, that aspect is still considered as a secondary element of project. The numeric study of that phenomenon is still extremely complex, being done necessary the use of models in reduced scale of the real structures for the estimate of the dynamic behavior of those structures. The modeling of the dynamic behavior of structures submitted to the flow of water is denominated hydroelastic modeling. For the correct application of the hydroelastic modeling it is fundamental a deep understanding on the basic aspects of the hydraulic and mechanical phenomena active in the structure. The present work concentrated on the experimental investigation of some basic aspects of the phenomenon of vortex-induced vibrations in cylindrical structures, with the objective of enlarging the base of existent knowledge on that phenomenon and, in that way, to contribute for the improvement of the hydroelastic modeling techniques.It is worth to emphasize that there are other mechanisms of instability responsible for the vibrations, besides vortex-shedding, they were not approached in this dissertation. The basic aspects approached in this work were the following ones: • Aspect ratio L/D - ratio of the submerged cylinder length to its diameter; • Mass-damping parameter (m*+CA)ζ − dimensionless parameter formed by the product between the mass of the structure and its structural damping ζ. For the experimental investigation, pivoted rigid cylinders were elastically mounted, submitted to steady flow of water in an open channel, with two degrees of freedom to oscillate. The present work concentrated in the study of the vibrations perpendicular to the flow direction. The employed cylinders possess different diameters, different masses and two types of springs for the elastic fixation. The variation of those parameters resulted in different oscillatory behaviors, characterized through the measurement of the accelerations in the top of the cylinder, that later were converted in displacement values in the top of the cylinder. The oscillatory behavior of the cylinders was described through curves of dimensionless amplitudes A/D, in other words, oscilation amplitude divided by the diameter of the cylinder, and curves of dimensionless frequency fd/fna, in other words, oscillating dominant frequency (fd) divided by the natural frequency of the structure in the water (fna). As main results of that experimental investigation the following points can be emphasized: • The parameter (m*+CA)ζ does not influence in a significant way the oscillatory behavior of the system in terms of dimensionless frequency (fd/fna); • The influence of the aspect ratio was demonstrated on the dimensionless amplitude of oscillation, together with the use of the parameter (m*+CA)ζ. The maximum amplitudes of oscillation suffered reduction with the increase of the aspect ratio of the cylinders, for values of L/D between 6 and 20. The behavior of the maximum dimensionless amplitudes of oscillation regarding the parameter (m*+CA)ζ presented a more complex behavior, depending on the aspect ratio; • Some results put in doubt the validity of the use of the parameter (m*+CA)ζ to combine the variations of the structural damping and mass ratio, at least for the experimental configuration adopted and values of (m*+CA)ζ < 0.074.

A ocorrência de vibrações induzidas pelo escoamento em estruturas hidráulicas é um fenômeno altamente indesejável, pois pode causar uma série de problemas de funcionamento, manutenção e em alguns casos pode ocasionar até mesmo o colapso da estrutura em questão. Apesar disso, esse aspecto ainda é considerado como um elemento secundário de projeto. O estudo numérico desse fenômeno ainda é extremamente complexo, fazendo-se necessário o uso de modelos em escala reduzida das estruturas reais para a estimativa do comportamento dinâmico dessas estruturas. A modelagem do comportamento dinâmico de estruturas submetidas ao escoamento de água é denominada de modelagem hidroelástica. Para a aplicação correta da modelagem hidroelástica é fundamental um entendimento profundo sobre os aspectos básicos dos fenômenos hidráulicos e mecânicos atuantes na estrutura. O presente trabalho concentrou-se na investigação experimental de alguns aspectos básicos do fenômeno de vibrações induzidas por vórtices em estruturas cilíndricas, com o objetivo de ampliar a base de conhecimento existente sobre esse fenômeno e, dessa forma, contribuir para o aperfeiçoamento das técnicas de modelagem hidroelástica. Vale ressaltar que existem outros mecanismos de instabilidade causadores de vibrações, além do desprendimento de vórtices, que não foram abordados nesta dissertação. Os aspectos básicos abordados neste trabalho foram os seguintes: • Razão de Aspecto L/D – razão entre o comprimento do cilindro exposto ao escoamento e seu diâmetro; • Parâmetro de massa-amortecimento (m*+CA)ζ − parâmetro adimensional formado pelo produto entre a massa da estrutura e seu amortecimento ζ. Para a investigação experimental foram ensaiados cilindros rígidos elasticamente montados e pivotados na base, submetidos ao escoamento permanente de água em canal aberto, com dois graus de liberdade para oscilar. Apesar da liberdade para oscilar em duas direções, o presente trabalho concentrou-se apenas nas vibrações transversais à direção do escoamento. Os cilindros empregados possuem diferentes diâmetros, diferentes massas e dois tipos de molas para a fixação elástica. A variação desses parâmetros resultou em comportamentos oscilatórios diferentes, caracterizados através da medição das acelerações no topo do cilindro, que posteriormente foram convertidos em valores de deslocamento no topo do cilindro. O comportamento oscilatório dos cilindros foi descrito através de curvas de amplitudes adimensionais A/D, ou seja, amplitude de oscilação dividida pelo diâmetro do cilindro, e curvasde freqüência adimensional fd/fna, ou seja, freqüência de oscilação dominante (fd) dividida pela freqüência natural da estrutura na água (fna). Como principais resultados dessa investigação experimental pode-se ressaltar os seguintes pontos: • O parâmetro (m*+CA)ζ não influencia de maneira significativa o comportamento oscilatório do sistema em termos de freqüência adimensional (fd/fna); • Demonstrou-se a influência da razão de aspecto sobre as amplitudes máximas de oscilação, em conjunto com o uso do parâmetro (m*+CA)ζ. As amplitudes máximas de oscilação sofreram redução com o aumento da razão de aspecto dos cilindros, para valores de L/D entre 6 e 20. O comportamento das amplitudes máximas de oscilação com relação ao parâmetro (m*+CA)ζ apresentou um comportamento mais complexo, dependendo da razão de aspecto ensaiada; • Alguns ensaios colocam em dúvida a validade do uso do parâmetro (m*+CA)ζ para representar de forma combinada as variações do amortecimento estrutural e razão de massa, pelo menos para a configuração experimental adotada e valores de (m*+CA)ζ < 0,074. / The occurrence of flow-induced vibrations in hydraulic structures is a highly undesirable phenomenon, because it can cause a series of operational and maintenance problems, and in some cases it can cause even the collapse of the structure. In spite of that, that aspect is still considered as a secondary element of project. The numeric study of that phenomenon is still extremely complex, being done necessary the use of models in reduced scale of the real structures for the estimate of the dynamic behavior of those structures. The modeling of the dynamic behavior of structures submitted to the flow of water is denominated hydroelastic modeling. For the correct application of the hydroelastic modeling it is fundamental a deep understanding on the basic aspects of the hydraulic and mechanical phenomena active in the structure. The present work concentrated on the experimental investigation of some basic aspects of the phenomenon of vortex-induced vibrations in cylindrical structures, with the objective of enlarging the base of existent knowledge on that phenomenon and, in that way, to contribute for the improvement of the hydroelastic modeling techniques.It is worth to emphasize that there are other mechanisms of instability responsible for the vibrations, besides vortex-shedding, they were not approached in this dissertation. The basic aspects approached in this work were the following ones: • Aspect ratio L/D - ratio of the submerged cylinder length to its diameter; • Mass-damping parameter (m*+CA)ζ − dimensionless parameter formed by the product between the mass of the structure and its structural damping ζ. For the experimental investigation, pivoted rigid cylinders were elastically mounted, submitted to steady flow of water in an open channel, with two degrees of freedom to oscillate. The present work concentrated in the study of the vibrations perpendicular to the flow direction. The employed cylinders possess different diameters, different masses and two types of springs for the elastic fixation. The variation of those parameters resulted in different oscillatory behaviors, characterized through the measurement of the accelerations in the top of the cylinder, that later were converted in displacement values in the top of the cylinder. The oscillatory behavior of the cylinders was described through curves of dimensionless amplitudes A/D, in other words, oscilation amplitude divided by the diameter of the cylinder, and curves of dimensionless frequency fd/fna, in other words, oscillating dominant frequency (fd) divided by the natural frequency of the structure in the water (fna). As main results of that experimental investigation the following points can be emphasized: • The parameter (m*+CA)ζ does not influence in a significant way the oscillatory behavior of the system in terms of dimensionless frequency (fd/fna); • The influence of the aspect ratio was demonstrated on the dimensionless amplitude of oscillation, together with the use of the parameter (m*+CA)ζ. The maximum amplitudes of oscillation suffered reduction with the increase of the aspect ratio of the cylinders, for values of L/D between 6 and 20. The behavior of the maximum dimensionless amplitudes of oscillation regarding the parameter (m*+CA)ζ presented a more complex behavior, depending on the aspect ratio; • Some results put in doubt the validity of the use of the parameter (m*+CA)ζ to combine the variations of the structural damping and mass ratio, at least for the experimental configuration adopted and values of (m*+CA)ζ < 0.074.

Eclusas de navegação são estruturas utilizadas para transposição de desníveis por embarcações. Estes desníveis podem ser causados por obstáculos naturais ou artificiais. As eclusas de navegação devem ter como principais características a realização de uma transposição rápida e segura das embarcações. O estudo dos escoamentos a jusante das comportas nos condutos de enchimento e esvaziamento das eclusas são de grande importância, pois são escoamentos altamente turbulentos e com altas velocidades e regiões de baixas pressões, essas, por sua vez, podem ocasionar o fenômeno de cavitação. A cavitação tem efeitos nocivos às estruturas, podendo causar desde vibrações até a erosão nas estruturas de concreto. Esta pesquisa busca verificar o comportamento e desenvolver critérios para estimar as pressões mínimas a jusante de comporta tipo segmento invertida, quando da operação da mesma em condutos de enchimento e esvaziamento de eclusas de navegação. Para atendimento desses objetivos, foi construído, no laboratório de hidráulica experimental LAHE, um modelo hidráulico reduzido de uma eclusa de navegação, onde foram realizados os ensaios com medição de pressões “instantâneas” a jusante da comporta no teto e na base do conduto. Essas medições foram realizadas para diferentes condições de aberturas e cargas a montante da comporta em regime permanente e em regime transitório, onde foram utilizadas diferentes velocidades de operação da comporta. Através das análises das pressões, foi possível verificar que a condição em regime permanente é mais crítica que a em regime transitório, sugerindo que se utilize esta situação para a previsão das pressões mínimas que podem ocorrer durante a operação da comporta. / Navigation Locks are structures used for raising and lowering boats between stretches of water of different levels on rivers due to natural or artificial obstacles. Navigation Locks’ design shall aim a safe and fast boat transposition. The study of flow downstream of tainter gates inside the conduits is important because of the flow characteristics that are highly turbulent and with areas of low pressure. The occurrence of low pressure may induce the cavitation phenomenon which causes severe damages, going from vibration to erosion in concrete structures. This research aims to verify the behavior and to develop a criterion to estimate low flow pressures downstream of a tainter gate during its operation in conduits of navigation locks during the chamber filling and empting. To fulfill this aim, it has been built, at the hydraulic experimental lab of Furnas, a reduced scale model of a navigation lock, where were held studies with instantaneous measure of pressure downstream the gate, both in the upper and lower conduit level. Those studies were made for different conditions of the gate’s aperture and water level upstream it for both permanent and transitory flows. Different speeds of gate aperture were also studied. By analyzing the results it was possible to conclude that, regarding to minimum pressures, the permanent flow condition is more severe than the transitory one indicating that the former shall be used to predict the lower pressures in similar conditions.

Esta dissertação tem como enfoque principal abordar o tema de esforços nas amarras das embarcações durante o processo de eclusagem. A principal motivação foi a busca em atender a legislação brasileira, a qual vem incentivando a utilização do transporte hidroviário e a construção de novas eclusas, tendo em vista a atratividade econômica deste meio de transporte. O estudo foi desenvolvido a partir da modelagem e elaboração de um sistema de medição de esforços, almejando a verificação de sua aplicabilidade na previsão de esforços sobre as amarrações das embarcações. A investigação dos esforços hidrodinâmicos sofridos pela embarcação durante o enchimento e esvaziamento das eclusas de alta queda foi possível com a construção deste sistema de medição em um modelo reduzido de uma eclusa de alta queda. Foram realizados 42 ensaios para diferentes situações iniciais, variando a composição e o peso total da embarcação, bem como a velocidade de abertura da comporta dos condutos de enchimento e esvaziamento da eclusa. A realização destes ensaios permitiu a confirmação das relações existentes entre esforços máximos medidos com o aumento da velocidade de abertura das comportas de enchimento e esvaziamento e entre os esforços máximos com o peso deslocado e área ocupada pela embarcação na eclusa. Possibilitou, também, a constatação de que os valores dos esforços máximos durante o processo de enchimento são superiores àqueles verificados no esvaziamento da câmara da eclusa. A partir destes resultados, foram propostas duas equações que relacionam a razão da força máxima pelo peso da embarcação com a razão das áreas da embarcação com a da câmara da eclusa e com o próprio peso da embarcação, evidenciando a relação existente entre a força máxima com o peso e a área da embarcação. / This piece of work disserts about the hawser forces in the vessels during the lock operational. The main motivation was the quest to attend the Brazilian legislation, which has encouraged the use of the hydroways and construction of new locks, in view of the economic attractiveness of this transportation medium. The study was developed from the modeling and development of a measurement system of hawser forces, aiming to verify its applicability in forecasting the vessels mooring forces. The investigation of hydrodynamics forces suffered by the vessel during the process of filling and emptying high lift locks became possible with construction of this measuring system in a reduced scaled model of a generic high lift lock. There was realized 42 tests with different initial conditions, varying the vessel´s size and its total weight, as well, varying the gate´s opening velocity localized in the conducts of the filling and emptying system. This tests made it possible to confirm the existence of relationship between maximum hawser forces and this gate´s opening speed and the vessel´s size and its total weight. With this tests, it became viable to find out that the values of maximum hawser forces during the lock´s chamber filling process are greater than during its emptying process. From these results, it was proposed two formulas relating the ratio of maximum hawser force with the vessel´s weight and the ratio of the area occupied by the vessel with the lock chamber area and, as well, the vessel´s weight. This showed the existence of relationship between the maximum hawser forces and the vessel´s weight and its area.

Esta dissertação tem como enfoque principal abordar o tema de esforços nas amarras das embarcações durante o processo de eclusagem. A principal motivação foi a busca em atender a legislação brasileira, a qual vem incentivando a utilização do transporte hidroviário e a construção de novas eclusas, tendo em vista a atratividade econômica deste meio de transporte. O estudo foi desenvolvido a partir da modelagem e elaboração de um sistema de medição de esforços, almejando a verificação de sua aplicabilidade na previsão de esforços sobre as amarrações das embarcações. A investigação dos esforços hidrodinâmicos sofridos pela embarcação durante o enchimento e esvaziamento das eclusas de alta queda foi possível com a construção deste sistema de medição em um modelo reduzido de uma eclusa de alta queda. Foram realizados 42 ensaios para diferentes situações iniciais, variando a composição e o peso total da embarcação, bem como a velocidade de abertura da comporta dos condutos de enchimento e esvaziamento da eclusa. A realização destes ensaios permitiu a confirmação das relações existentes entre esforços máximos medidos com o aumento da velocidade de abertura das comportas de enchimento e esvaziamento e entre os esforços máximos com o peso deslocado e área ocupada pela embarcação na eclusa. Possibilitou, também, a constatação de que os valores dos esforços máximos durante o processo de enchimento são superiores àqueles verificados no esvaziamento da câmara da eclusa. A partir destes resultados, foram propostas duas equações que relacionam a razão da força máxima pelo peso da embarcação com a razão das áreas da embarcação com a da câmara da eclusa e com o próprio peso da embarcação, evidenciando a relação existente entre a força máxima com o peso e a área da embarcação. / This piece of work disserts about the hawser forces in the vessels during the lock operational. The main motivation was the quest to attend the Brazilian legislation, which has encouraged the use of the hydroways and construction of new locks, in view of the economic attractiveness of this transportation medium. The study was developed from the modeling and development of a measurement system of hawser forces, aiming to verify its applicability in forecasting the vessels mooring forces. The investigation of hydrodynamics forces suffered by the vessel during the process of filling and emptying high lift locks became possible with construction of this measuring system in a reduced scaled model of a generic high lift lock. There was realized 42 tests with different initial conditions, varying the vessel´s size and its total weight, as well, varying the gate´s opening velocity localized in the conducts of the filling and emptying system. This tests made it possible to confirm the existence of relationship between maximum hawser forces and this gate´s opening speed and the vessel´s size and its total weight. With this tests, it became viable to find out that the values of maximum hawser forces during the lock´s chamber filling process are greater than during its emptying process. From these results, it was proposed two formulas relating the ratio of maximum hawser force with the vessel´s weight and the ratio of the area occupied by the vessel with the lock chamber area and, as well, the vessel´s weight. This showed the existence of relationship between the maximum hawser forces and the vessel´s weight and its area.