O dimensionamento seguro e econômico de dissipadores de energia por ressalto hidráulico formado a jusante de vertedouros passa pela compreensão de como se processa a dinâmica do escoamento. Para que isso seja possível é necessário que sejam identificadas as características macroturbulentas do escoamento, tanto no que diz respeito aos valores médios quanto às parcelas flutuantes e extremas dos esforços de pressões atuantes junto ao fundo. Este trabalho, então, propõe a análise dos esforços hidrodinâmicos atuantes na estrutura hidráulica a partir de uma nova abordagem que preconiza que os esforços atuantes junto ao fundo devem ser avaliados como um somatório dos efeitos hidrodinâmicos ocasionados pelas distintas condições do escoamento. Dessa forma, foram avaliados individualmente os efeitos: (i) da curva de concordância vertical entre o perfil vertente e a bacia de dissipação e a sua influência sobre esta, (ii) do escoamento em regime rápido sobre um plano horizontal, (iii) da macroturbulência presente no ressalto hidráulico livre (tipo A) e (iv) do afogamento do ressalto hidráulico. Essa avaliação individualizada proporciona, em última instância, a identificação global dos esforços atuantes junto à estrutura hidráulica, conferindo sensibilidade a esta análise global a partir da identificação da influência de cada um dos efeitos atuantes e das respectivas consequências sobre a bacia de dissipação. O trabalho apresenta, assim, um método analítico de previsão de pressões médias, flutuantes e extremas atuantes ao longo de uma bacia de dissipação por ressalto hidráulico, quer este seja formado integralmente na bacia de dissipação, quer este seja formado parcialmente sobre o perfil vertente, condição predominante na operação de sistemas estruturais de dissipação de energia hidráulica. / To safely and economically design hydraulic jump energy dissipators downstream spillways the comprehension of the flow dynamics is needed. To achieve this it is needed to identify the macroturbulent characteristics of the flow, both the mean pressure values as well as the fluctuating and extreme pressures acting on the floor of the stilling basin. The present work proposes to analyze the hydrodynamic forces acting on the structures by means of a new approach which states that the pressures acting on the basin floor can be evaluates as the sum of hydrodynamic effects caused by the distinct flow conditions. The following effects were individually evaluated (i) transition from the spillway slope to the flat basin slope. (ii) supercrítical flow over a flat slope, (iii) macroturbulence present in a classic hydraulic jump (type A jump) and (iv) jump submergence. This individualized evaluation aims to identify the global forces acting on the spillway structure conferring sensitivity to the global analysis from the identification of each of the acting effects and its consequences. The present work relates an analytical method for predicting of mean, fluctuating and extreme pressures acting on a hydraulic jump stilling basin, be it formed integrally on the structure or partially over the spillway, usual condition in the basin operation.

Esta pesquisa foi desenvolvida no Curso de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental do Instituto de Pesquisas Hidráulicas, pertencente à 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 como forma de dissipação de energia a jusante de obras hidráulicas. O conhecimento das flutuações de pressão e, principalmente, dos valores extremos são de elevada importância devido a problemas ocasionados pelos efeitos macroturbulentos do escoamento, tais como, fadiga, cavitação e ressonância. A presente pesquisa teve como objetivo verificar os possíveis efeitos de escala na previsão de valores extremos de pressões junto ao fundo em bacias de dissipação por ressalto hidráulico a partir de dados experimentais adquiridos em três modelos físicos reduzidos da UHE Porto Colômbia, nas escalas 1:100, 1:50 e 1:32, além das medições realizadas no protótipo. A análise dos dados foi realizada com base nas metodologias propostas por Wiest (2008) e Cerezer (2008), que também fizeram parte do P&D. De uma forma geral, o trabalho apresenta sugestões de escalas mínimas a serem utilizadas nos modelos reduzidos para a avaliação das pressões médias, das flutuações de pressão, dos coeficientes estatísticos de probabilidade e das pressões extremas ao longo da bacia de dissipação. Também foram investigados, em função da escala da estrutura, os mínimos valores de freqüência de aquisição e tamanho de amostra, assim como, os possíveis efeitos da aeração no escoamento. / This work was developed at the Post-graduation Program in Water Resources 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 as an energy dissipation form downstream hydraulic structures. The knowledge of pressure fluctuations and, mainly, of extremes values are of high importance due to problems caused by the macroturbulent effects of the flow such as fatique, cavitation and resonance. This research aimed to check the possible effects of scale in the prediction of extreme pressure values in the bottom of stilling basis structures from experimental data from three reduced scale models of Hydropower plant of Porto Colômbia in 1:100, 1:50 and 1:32 scale were used as well as prototype measurements. Data analysis was based on methodologies proposed by Wiest (2008) and Cerezer (2008), who also were part of this R&D project. This work suggests the minimum scale to be used in reduced scale models in order to evaluate mean pressures, pressure fluctuations, statistical probability coefficients and extreme pressures along the stilling basin. Due to the structure scale, the minimum values of acquisition frequency and sample size as well as the possible effects on air entrainment flow were investigated.

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”. Uma bacia de dissipação por ressalto hidráulico é uma obra hidráulica que possui a finalidade de dissipar a energia cinética do escoamento vertido por uma estrutura de descarga (barragem, eclusa, bueiro, etc...) e restituí-lo ao curso natural do rio. Este tipo de obra possui a função de proteger o solo contra os possíveis efeitos erosivos do escoamento que poderiam comprometer a fundação e, conseqüentemente, a segurança da barragem. Devido às grandes cargas hidráulicas que as barragens podem conter, as bacias de dissipação, que estão sob ação de um escoamento altamente turbulento, poderão estar sujeitas a grandes variações instantâneas de pressão e velocidade, gerando significativos esforços sobre tal estrutura. A ação do escoamento poderá ser tal que provoque esforços que irão promover o levantamento de uma laje da bacia de dissipação sendo necessário, para evitar este fato, prover a estrutura de peso ou ancoragem suficiente condizente com a estas solicitações. Através da análise de dados obtidos em modelos reduzidos foi possível caracterizar o campo de forças sob o ressalto hidráulico quanto a sua magnitude média, flutuações e extremos. Foram então propostas metodologias para a previsão dos esforços extremos que agem sobre uma laje de certa dimensão sob o ressalto hidráulico o que permite dimensionar a estrutura que irá suportar os esforços de levantamento. / The present work was developed in the Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental of the Instituto de Pesquisas Hidráulica of the Universidade Federal do Rio Grande do Sul with support of Furnas Centrais Elétricas S.A., as part the Research and Development Project (R&D) entitled “Análise da Macroturbulência em Dissipadores por Ressalto Hidráulico”. A hydraulic jump stilling basin is a structure that aims to dissipate the flow’s kinetic energy discharged by a dam and restitute it to the natural river bed. This type of hydraulic structure has the function to protect the soil against the flow erosive effects, which could expose the foundation and, consequently, the dam’s safety. Due to the large heads a dam may contain, the stilling basins maybe subjected to great instantaneous pressure and velocity variations, causing significant stresses in such structure. The action of the flow maybe such that can cause the uplift of a stilling basin lining, making it necessary to provide this structure with sufficient weight or anchorage. Through the analysis of these data it was possible to characterize the forces under a hydraulic jump according to its mean value, fluctuations and extremes. Methodologies were proposed to predict the extreme values that act on a lining of a certain dimension and with those design the structures that will resist slab uplift.

Esta pesquisa foi desenvolvida no Curso de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental do Instituto de Pesquisas Hidráulicas, pertencente à 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 como forma de dissipação de energia a jusante de obras hidráulicas. O conhecimento das flutuações de pressão e, principalmente, dos valores extremos são de elevada importância devido a problemas ocasionados pelos efeitos macroturbulentos do escoamento, tais como, fadiga, cavitação e ressonância. A presente pesquisa teve como objetivo verificar os possíveis efeitos de escala na previsão de valores extremos de pressões junto ao fundo em bacias de dissipação por ressalto hidráulico a partir de dados experimentais adquiridos em três modelos físicos reduzidos da UHE Porto Colômbia, nas escalas 1:100, 1:50 e 1:32, além das medições realizadas no protótipo. A análise dos dados foi realizada com base nas metodologias propostas por Wiest (2008) e Cerezer (2008), que também fizeram parte do P&D. De uma forma geral, o trabalho apresenta sugestões de escalas mínimas a serem utilizadas nos modelos reduzidos para a avaliação das pressões médias, das flutuações de pressão, dos coeficientes estatísticos de probabilidade e das pressões extremas ao longo da bacia de dissipação. Também foram investigados, em função da escala da estrutura, os mínimos valores de freqüência de aquisição e tamanho de amostra, assim como, os possíveis efeitos da aeração no escoamento. / This work was developed at the Post-graduation Program in Water Resources 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 as an energy dissipation form downstream hydraulic structures. The knowledge of pressure fluctuations and, mainly, of extremes values are of high importance due to problems caused by the macroturbulent effects of the flow such as fatique, cavitation and resonance. This research aimed to check the possible effects of scale in the prediction of extreme pressure values in the bottom of stilling basis structures from experimental data from three reduced scale models of Hydropower plant of Porto Colômbia in 1:100, 1:50 and 1:32 scale were used as well as prototype measurements. Data analysis was based on methodologies proposed by Wiest (2008) and Cerezer (2008), who also were part of this R&D project. This work suggests the minimum scale to be used in reduced scale models in order to evaluate mean pressures, pressure fluctuations, statistical probability coefficients and extreme pressures along the stilling basin. Due to the structure scale, the minimum values of acquisition frequency and sample size as well as the possible effects on air entrainment flow were investigated.

O dimensionamento seguro e econômico de dissipadores de energia por ressalto hidráulico formado a jusante de vertedouros passa pela compreensão de como se processa a dinâmica do escoamento. Para que isso seja possível é necessário que sejam identificadas as características macroturbulentas do escoamento, tanto no que diz respeito aos valores médios quanto às parcelas flutuantes e extremas dos esforços de pressões atuantes junto ao fundo. Este trabalho, então, propõe a análise dos esforços hidrodinâmicos atuantes na estrutura hidráulica a partir de uma nova abordagem que preconiza que os esforços atuantes junto ao fundo devem ser avaliados como um somatório dos efeitos hidrodinâmicos ocasionados pelas distintas condições do escoamento. Dessa forma, foram avaliados individualmente os efeitos: (i) da curva de concordância vertical entre o perfil vertente e a bacia de dissipação e a sua influência sobre esta, (ii) do escoamento em regime rápido sobre um plano horizontal, (iii) da macroturbulência presente no ressalto hidráulico livre (tipo A) e (iv) do afogamento do ressalto hidráulico. Essa avaliação individualizada proporciona, em última instância, a identificação global dos esforços atuantes junto à estrutura hidráulica, conferindo sensibilidade a esta análise global a partir da identificação da influência de cada um dos efeitos atuantes e das respectivas consequências sobre a bacia de dissipação. O trabalho apresenta, assim, um método analítico de previsão de pressões médias, flutuantes e extremas atuantes ao longo de uma bacia de dissipação por ressalto hidráulico, quer este seja formado integralmente na bacia de dissipação, quer este seja formado parcialmente sobre o perfil vertente, condição predominante na operação de sistemas estruturais de dissipação de energia hidráulica. / To safely and economically design hydraulic jump energy dissipators downstream spillways the comprehension of the flow dynamics is needed. To achieve this it is needed to identify the macroturbulent characteristics of the flow, both the mean pressure values as well as the fluctuating and extreme pressures acting on the floor of the stilling basin. The present work proposes to analyze the hydrodynamic forces acting on the structures by means of a new approach which states that the pressures acting on the basin floor can be evaluates as the sum of hydrodynamic effects caused by the distinct flow conditions. The following effects were individually evaluated (i) transition from the spillway slope to the flat basin slope. (ii) supercrítical flow over a flat slope, (iii) macroturbulence present in a classic hydraulic jump (type A jump) and (iv) jump submergence. This individualized evaluation aims to identify the global forces acting on the spillway structure conferring sensitivity to the global analysis from the identification of each of the acting effects and its consequences. The present work relates an analytical method for predicting of mean, fluctuating and extreme pressures acting on a hydraulic jump stilling basin, be it formed integrally on the structure or partially over the spillway, usual condition in the basin operation.

O dimensionamento seguro e econômico de dissipadores de energia por ressalto hidráulico formado a jusante de vertedouros passa pela compreensão de como se processa a dinâmica do escoamento. Para que isso seja possível é necessário que sejam identificadas as características macroturbulentas do escoamento, tanto no que diz respeito aos valores médios quanto às parcelas flutuantes e extremas dos esforços de pressões atuantes junto ao fundo. Este trabalho, então, propõe a análise dos esforços hidrodinâmicos atuantes na estrutura hidráulica a partir de uma nova abordagem que preconiza que os esforços atuantes junto ao fundo devem ser avaliados como um somatório dos efeitos hidrodinâmicos ocasionados pelas distintas condições do escoamento. Dessa forma, foram avaliados individualmente os efeitos: (i) da curva de concordância vertical entre o perfil vertente e a bacia de dissipação e a sua influência sobre esta, (ii) do escoamento em regime rápido sobre um plano horizontal, (iii) da macroturbulência presente no ressalto hidráulico livre (tipo A) e (iv) do afogamento do ressalto hidráulico. Essa avaliação individualizada proporciona, em última instância, a identificação global dos esforços atuantes junto à estrutura hidráulica, conferindo sensibilidade a esta análise global a partir da identificação da influência de cada um dos efeitos atuantes e das respectivas consequências sobre a bacia de dissipação. O trabalho apresenta, assim, um método analítico de previsão de pressões médias, flutuantes e extremas atuantes ao longo de uma bacia de dissipação por ressalto hidráulico, quer este seja formado integralmente na bacia de dissipação, quer este seja formado parcialmente sobre o perfil vertente, condição predominante na operação de sistemas estruturais de dissipação de energia hidráulica. / To safely and economically design hydraulic jump energy dissipators downstream spillways the comprehension of the flow dynamics is needed. To achieve this it is needed to identify the macroturbulent characteristics of the flow, both the mean pressure values as well as the fluctuating and extreme pressures acting on the floor of the stilling basin. The present work proposes to analyze the hydrodynamic forces acting on the structures by means of a new approach which states that the pressures acting on the basin floor can be evaluates as the sum of hydrodynamic effects caused by the distinct flow conditions. The following effects were individually evaluated (i) transition from the spillway slope to the flat basin slope. (ii) supercrítical flow over a flat slope, (iii) macroturbulence present in a classic hydraulic jump (type A jump) and (iv) jump submergence. This individualized evaluation aims to identify the global forces acting on the spillway structure conferring sensitivity to the global analysis from the identification of each of the acting effects and its consequences. The present work relates an analytical method for predicting of mean, fluctuating and extreme pressures acting on a hydraulic jump stilling basin, be it formed integrally on the structure or partially over the spillway, usual condition in the basin operation.

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”. Uma bacia de dissipação por ressalto hidráulico é uma obra hidráulica que possui a finalidade de dissipar a energia cinética do escoamento vertido por uma estrutura de descarga (barragem, eclusa, bueiro, etc...) e restituí-lo ao curso natural do rio. Este tipo de obra possui a função de proteger o solo contra os possíveis efeitos erosivos do escoamento que poderiam comprometer a fundação e, conseqüentemente, a segurança da barragem. Devido às grandes cargas hidráulicas que as barragens podem conter, as bacias de dissipação, que estão sob ação de um escoamento altamente turbulento, poderão estar sujeitas a grandes variações instantâneas de pressão e velocidade, gerando significativos esforços sobre tal estrutura. A ação do escoamento poderá ser tal que provoque esforços que irão promover o levantamento de uma laje da bacia de dissipação sendo necessário, para evitar este fato, prover a estrutura de peso ou ancoragem suficiente condizente com a estas solicitações. Através da análise de dados obtidos em modelos reduzidos foi possível caracterizar o campo de forças sob o ressalto hidráulico quanto a sua magnitude média, flutuações e extremos. Foram então propostas metodologias para a previsão dos esforços extremos que agem sobre uma laje de certa dimensão sob o ressalto hidráulico o que permite dimensionar a estrutura que irá suportar os esforços de levantamento. / The present work was developed in the Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental of the Instituto de Pesquisas Hidráulica of the Universidade Federal do Rio Grande do Sul with support of Furnas Centrais Elétricas S.A., as part the Research and Development Project (R&D) entitled “Análise da Macroturbulência em Dissipadores por Ressalto Hidráulico”. A hydraulic jump stilling basin is a structure that aims to dissipate the flow’s kinetic energy discharged by a dam and restitute it to the natural river bed. This type of hydraulic structure has the function to protect the soil against the flow erosive effects, which could expose the foundation and, consequently, the dam’s safety. Due to the large heads a dam may contain, the stilling basins maybe subjected to great instantaneous pressure and velocity variations, causing significant stresses in such structure. The action of the flow maybe such that can cause the uplift of a stilling basin lining, making it necessary to provide this structure with sufficient weight or anchorage. Through the analysis of these data it was possible to characterize the forces under a hydraulic jump according to its mean value, fluctuations and extremes. Methodologies were proposed to predict the extreme values that act on a lining of a certain dimension and with those design the structures that will resist slab uplift.

Esta pesquisa foi desenvolvida no Curso de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental do Instituto de Pesquisas Hidráulicas, pertencente à 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 como forma de dissipação de energia a jusante de obras hidráulicas. O conhecimento das flutuações de pressão e, principalmente, dos valores extremos são de elevada importância devido a problemas ocasionados pelos efeitos macroturbulentos do escoamento, tais como, fadiga, cavitação e ressonância. A presente pesquisa teve como objetivo verificar os possíveis efeitos de escala na previsão de valores extremos de pressões junto ao fundo em bacias de dissipação por ressalto hidráulico a partir de dados experimentais adquiridos em três modelos físicos reduzidos da UHE Porto Colômbia, nas escalas 1:100, 1:50 e 1:32, além das medições realizadas no protótipo. A análise dos dados foi realizada com base nas metodologias propostas por Wiest (2008) e Cerezer (2008), que também fizeram parte do P&D. De uma forma geral, o trabalho apresenta sugestões de escalas mínimas a serem utilizadas nos modelos reduzidos para a avaliação das pressões médias, das flutuações de pressão, dos coeficientes estatísticos de probabilidade e das pressões extremas ao longo da bacia de dissipação. Também foram investigados, em função da escala da estrutura, os mínimos valores de freqüência de aquisição e tamanho de amostra, assim como, os possíveis efeitos da aeração no escoamento. / This work was developed at the Post-graduation Program in Water Resources 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 as an energy dissipation form downstream hydraulic structures. The knowledge of pressure fluctuations and, mainly, of extremes values are of high importance due to problems caused by the macroturbulent effects of the flow such as fatique, cavitation and resonance. This research aimed to check the possible effects of scale in the prediction of extreme pressure values in the bottom of stilling basis structures from experimental data from three reduced scale models of Hydropower plant of Porto Colômbia in 1:100, 1:50 and 1:32 scale were used as well as prototype measurements. Data analysis was based on methodologies proposed by Wiest (2008) and Cerezer (2008), who also were part of this R&D project. This work suggests the minimum scale to be used in reduced scale models in order to evaluate mean pressures, pressure fluctuations, statistical probability coefficients and extreme pressures along the stilling basin. Due to the structure scale, the minimum values of acquisition frequency and sample size as well as the possible effects on air entrainment flow were investigated.