Barragens são utilizadas há séculos para diversas finalidades. Em diversas barragens os vertedouros são constituídos de degraus com o objetivo de aumentar a dissipação de energia. A presente pesquisa objetiva a caracterização dos esforços atuantes em vertedouros em degraus, através da análise da variação das pressões atuantes ao longo da calha e suas distribuições na faces do degraus. Com esse objetivo, são realizadas análises sobre modelos de vertedouros com declividade de 1V:0,75H e degraus de 3, 6 e 9 centímetros. São analisados os campos de pressões nos degraus e comparados com os resultados disponíveis na bibliografia. Também são propostos modelos para previsão de pressões nos patamares e espelhos dos degraus bem como dos esforços resultantes. Além disso, são realizadas transposições dos resultados para a escala de protótipo, inclusive com a análise da possibilidade de cavitação na estrutura. Como constatação geral sobre as pressões nos espelhos verifica-se que os esforços de tração e compressão têm magnitudes relativamente semelhantes, sendo mais intensas as pressões negativas. Sobre as pressões máximas nos patamares, destaca-se que os valores máximos de compressão ocorreram no final da calha, percebendo-se que as menores vazões geraram maiores valores de coeficientes de pressões. As variações da compressão nas faces dos patamares apresentam crescimento, no sentido da extremidade com o espelho acima deste para o vértice com o espelho abaixo do mesmo patamar. Nas faces dos espelhos, percebe-se que os mais extremos de tração são observados na parte superior, próximo à quina com os patamares. / Dams have been used throughout the centuries for a plethora of purposes. Several designs employ steps on the spillways in order to increase the power dissipation. The present research aims to characterize the forces acting on stepped spillways by analyzing both the variation of pressures acting along the pipeline and their distributions on the faces of the steps. In order to achieve this purpose, observations and discussions regarding spillways models with slope characterized as 1V: 0.75H and steps ranging from 3 to 9 centimeters are conducted. The pressure fields measured in the steps were analyzed and compared with results available in the literature. Sub sequentially, models to predict pressures on the faces of the steps and the resulting efforts were proposed. Finally, transpositions were performed on a prototype scale. Generally, it was found that the magnitude of tensile and compressive forces on the vertical faces are relatively similar, being the negative pressure slightly higher on all cases. During the experiments, it was observed that compression forces increased thought the length of the step’s horizontal face, peaking at the edge. It was also noticed that lower flows generated higher pressure coefficients. The measured compression on the horizontal faces of the step and its variation increase towards the edge of the step. It is perceived that the maximum tensile is observed on the top of the step’s vertical faces, near the corner with the horizontal faces.

Stepped chutes have been used as hydraulic structures for more than 3.5 millennia for different purposes: For example, to dissipate energy, to enhance aeration rate in the flow and to comply with aesthetical functions. They can be found acting as spillways in dams and weirs, as energy dissipators in artificial channels, gutters and rivers, and as aeration enhancers in water treatment plants and fountains. Spillways are used to prevent dam overtopping caused by floodwaters. Their design has changed through the centuries. In ancient times, some civilizations used steps to dissipate energy in open channels and dam over-falls in a similar fashion as natural cascades. However, in the first half of the twentieth century, the use of concrete became popular and the hydraulic jump was introduced as an efficient energy dissipator. In turn, the use of a stepped geometry became obsolete and was replaced with smooth chutes followed by hydraulic jump stilling basins. In recent years, new construction techniques and materials (Roller Compacted Concrete RCC, rip-rap gabions, wire-meshed gabions, etc.) together with the development of new applications (e.g. re-aeration cascades, fish ladders and embankment overtopping protection or secondary spillways) have allowed cheaper construction of stepped chutes, increasing the interest in stepped chute design. During the last three decades, research in the hydraulics of stepped spillways has been very active. However, studies prior to 1993 neglected the effect of free-surface aeration. A number of studies since this time have focused on air-water flows in steep chutes (θ ≈ 50o). But experimental data is still scarce, and the hydraulic performance of stepped cascades with moderate slope is not yet understood. This study details an experimental investigation of physical air-water flow characteristics down a stepped spillway conducted in two laboratory models with moderate slopes: the first model was a 3.15 m long stepped chute with a 15.9o slope comprising two interchangeable-height steps (h = 0.1 m and h = 0.05 m); the second model was a 2.5 m long, stepped channel with a 21.8o slope comprising 10 steps (h = 0.1 m). Different arrangements of turbulence manipulators (vanes) were also placed throughout the chute in the second model. A broad range of discharges within transition and skimming flow regimes was investigated to obtain a reliable representation of the air-water flow properties. Measurements were conducted using single and double tip conductivity probes at multiple span wise locations and at streamwise distances along the cavity between step edges to obtain a complete three-dimensional representation of the flow. Although the present study was conducted for two moderate slope chutes (θ = 15.9º & 21.8o), it is believed that the outcomes are valid for a wider range of chute geometry and flow conditions. The purpose of this study is to improve the understanding of turbulent air-water flows cascading down moderate slope stepped chutes, and gain new understandings of the interactions between aeration rate, flow turbulence and energy dissipation; scale effects are also investigated. The study provides new, original insights into air-water turbulent flows cascading down moderate slope stepped spillways not foreseen in prior studies, thus contributing to improve criterion designs. It also presents an extensive experimental database (available in a CD-ROM attached at the end of this thesis) and a new design criterion that can be used by designers and researchers to improve the operation of stepped chutes with moderate slopes. The present thesis work included a twofold approach. Firstly, the study provided a detailed investigation of the energy dissipative properties of a stepped channel, based upon detailed airwater flow characteristics measurements conducted with sub-millimetric conductivity probes. Secondly, the study focused on the microscopic scale properties of the airwater flow, using the experimental data to quantify the microscopic scale physical processes (e.g. momentum transfer, shear layer development, vertical mixing, airbubbles/ water-droplets break-up and coalescence etc.) that are believed to increase the flow resistance in stepped canals. The study highlighted the tridimensionality of skimming flows and hinted new means of enhancing flow resistance by manipulating turbulence in the stepped chute. Basic dimensional analysis results emphasized that physical modelling of stepped chutes is more sensitive to scale effects than classical smooth-invert chute studies and thus suggested that the extrapolation of results obtained from heavily scaled experimental models should be avoided. The present study also demonstrated that alterations of flow recirculation and fluid exchanges between free-stream and cavity flow affects drastically form losses and in turn the rate of energy dissipation. The introduction of vanes demonstrated simple turbulence manipulation and form drag modification that could lead to more efficient designs in terms of energy rate dissipation without significant structural load on the stepped chute.

Barragens são utilizadas há séculos para diversas finalidades. Em diversas barragens os vertedouros são constituídos de degraus com o objetivo de aumentar a dissipação de energia. A presente pesquisa objetiva a caracterização dos esforços atuantes em vertedouros em degraus, através da análise da variação das pressões atuantes ao longo da calha e suas distribuições na faces do degraus. Com esse objetivo, são realizadas análises sobre modelos de vertedouros com declividade de 1V:0,75H e degraus de 3, 6 e 9 centímetros. São analisados os campos de pressões nos degraus e comparados com os resultados disponíveis na bibliografia. Também são propostos modelos para previsão de pressões nos patamares e espelhos dos degraus bem como dos esforços resultantes. Além disso, são realizadas transposições dos resultados para a escala de protótipo, inclusive com a análise da possibilidade de cavitação na estrutura. Como constatação geral sobre as pressões nos espelhos verifica-se que os esforços de tração e compressão têm magnitudes relativamente semelhantes, sendo mais intensas as pressões negativas. Sobre as pressões máximas nos patamares, destaca-se que os valores máximos de compressão ocorreram no final da calha, percebendo-se que as menores vazões geraram maiores valores de coeficientes de pressões. As variações da compressão nas faces dos patamares apresentam crescimento, no sentido da extremidade com o espelho acima deste para o vértice com o espelho abaixo do mesmo patamar. Nas faces dos espelhos, percebe-se que os mais extremos de tração são observados na parte superior, próximo à quina com os patamares. / Dams have been used throughout the centuries for a plethora of purposes. Several designs employ steps on the spillways in order to increase the power dissipation. The present research aims to characterize the forces acting on stepped spillways by analyzing both the variation of pressures acting along the pipeline and their distributions on the faces of the steps. In order to achieve this purpose, observations and discussions regarding spillways models with slope characterized as 1V: 0.75H and steps ranging from 3 to 9 centimeters are conducted. The pressure fields measured in the steps were analyzed and compared with results available in the literature. Sub sequentially, models to predict pressures on the faces of the steps and the resulting efforts were proposed. Finally, transpositions were performed on a prototype scale. Generally, it was found that the magnitude of tensile and compressive forces on the vertical faces are relatively similar, being the negative pressure slightly higher on all cases. During the experiments, it was observed that compression forces increased thought the length of the step’s horizontal face, peaking at the edge. It was also noticed that lower flows generated higher pressure coefficients. The measured compression on the horizontal faces of the step and its variation increase towards the edge of the step. It is perceived that the maximum tensile is observed on the top of the step’s vertical faces, near the corner with the horizontal faces.

As expectativas dinâmicas de um mundo de inovações tecnológicas, consubstanciados por explorações menos agressivas ao meio ambiente, dirigidas a um mercado consumista emergente, representam desafios para soluções de problemas de engenharia dirigidos para diversos segmentos da sociedade. Com o desenvolvimento do concreto compactado com rolo (CCR), a partir dos anos 70, o emprego de vertedouros em degraus em barragens de gravidade tornou-se uma solução atrativa, visto que, proporciona, simultaneamente, o aumento da dissipação da energia do escoamento e a redução do tempo e dos custos de implantação dessas obras. Atualmente, têm-se usado como restrições ao seu emprego de vertedouros em degraus valores máximos de vazões específicas que, sem um limite consensual, vêm tolhendo suas potencialidades. A macrorugosidade da calha acelera o processo de aeração do escoamento, se comparado com um vertedouro de soleira lisa, protegendo, para a zona aerada, os degraus contra erosão por cavitação. Entretanto, para o trecho não aerado do escoamento, existem riscos desse processo se estabelecer. As descontinuidades da fronteira sólida propiciam a sucessiva separação da camada limite nos cantos externos dos degraus. Nessa região são geradas pressões muito baixas. O presente estudo, realizado no Instituto de Pesquisas Hidráulicas, objetivou, através de medições experimentais, descrever, caracterizar e modelar pressões hidrodinâmicas nas soleiras dos degraus, estabelecendo limites para incipiência à cavitação no trecho não-aerado do escoamento. Três calhas escalonadas com declividade 1V:0,75H e alturas de degraus iguais a 0,03 m; 0,06 m e 0,09 m foram projetadas e construídas para a investigação. As amostras de pressões registradas com transmissores de pressão a 50 Hz e duração de 3minutos e 12 horas possibilitaram caracterizar o campo de pressão identificando zonas críticas, bem como, avaliando o comportamento estatístico dessas solicitações. As maiores flutuações de pressões foram registradas nas extremidades externas dos degraus e na seção de afloramento da camada limite, chegando a valores negativos de 0,69 vezes a distância vertical entre a crista e a seção analisada. Determinaram-se freqüências dominantes compreendidas entre 7-18 Hz, com valores máximos situados nos patamares dosdegraus. Os números adimensionais de Strouhal, calculados com as freqüências predominantes e as profundidades equivalente do escoamento, diminuíram de 0,40 a 0,04 no sentido do fluxo. Quanto aos limites de incipiência à cavitação, as vazões especificas mais restritivas ao emprego de vertedouros em degraus ficaram na faixa entre 11,3 e 15,6 m²/s com velocidades médias da ordem de 17 m/s, obtidas para a seção de afloramento da camada limite. / Hydraulic researchers have to accomplish the technological and construction materials innovations to new security design project criteria compatible to low costs requirement. At 70’s years, with the development of the Roller Compact Concrete (RCC), the use of stepped spillways has become an attractive solution for gravity dams. In steeply sloping stepped spillways, the large step macro-roughness promotes the occurrence of negative pressures on the step cavity, particularly near the external edge of the vertical step face. Consequently one may expect the occurrence of sub-atmospheric pressure conditions capable to induce cavitation for velocities lower than those observed in smooth chute spillways. Predicting cavitation damage is more complex than predicting cavitation inception. Flow conditions leading to the onset of cavitation are generally conservative in predicting damage. The severity of damage that may be expected is related both to intensity of cavitation and time of exposure. There is still no consensus on the maximum unit discharge or flow velocity which assures cavitation safe design of stepped spillways.The study carried through in the Institute of Hydraulic Research (UFRGS - Brazil), had the main goal: described, characterized and modeled experimental measurements of hydrodynamic pressures on the faces of the steps and established limits of incipient cavitation. Three stepped chutes with declivity 1V:0.75H and 0.03 m; 0.06 m and 0.09 m steps heights were projected. The samples of pressures were registered with pressure transmitters with 50 Hz and 3 minutes duration. Long-duration test were also conducted (12 hours sample size) that permitted characterize the pressure field, identifying critical zones, as well as, evaluating its statistical behaviour. The largest fluctuating pressures had been registered in the outer corner on the steps and at the inception point of air entrainment. At this last position can be expected negative pressure values close to 0.69 times the vertical distance between the crest and the analyzed section. The dominant frequencies found varied between 7-18 Hz. The dimensionless number of Strouhal calculated with the predominant frequencies and the clear equivalent depth, had diminished of 0.40 the 0.04 in the direction of the flow. The pressure measurements indicated specific discharge between 11.3-15.6 m²/s and average velocity in order of 17 m/s to inception cavitation process near the inception point.

Barragens são utilizadas há séculos para diversas finalidades. Em diversas barragens os vertedouros são constituídos de degraus com o objetivo de aumentar a dissipação de energia. A presente pesquisa objetiva a caracterização dos esforços atuantes em vertedouros em degraus, através da análise da variação das pressões atuantes ao longo da calha e suas distribuições na faces do degraus. Com esse objetivo, são realizadas análises sobre modelos de vertedouros com declividade de 1V:0,75H e degraus de 3, 6 e 9 centímetros. São analisados os campos de pressões nos degraus e comparados com os resultados disponíveis na bibliografia. Também são propostos modelos para previsão de pressões nos patamares e espelhos dos degraus bem como dos esforços resultantes. Além disso, são realizadas transposições dos resultados para a escala de protótipo, inclusive com a análise da possibilidade de cavitação na estrutura. Como constatação geral sobre as pressões nos espelhos verifica-se que os esforços de tração e compressão têm magnitudes relativamente semelhantes, sendo mais intensas as pressões negativas. Sobre as pressões máximas nos patamares, destaca-se que os valores máximos de compressão ocorreram no final da calha, percebendo-se que as menores vazões geraram maiores valores de coeficientes de pressões. As variações da compressão nas faces dos patamares apresentam crescimento, no sentido da extremidade com o espelho acima deste para o vértice com o espelho abaixo do mesmo patamar. Nas faces dos espelhos, percebe-se que os mais extremos de tração são observados na parte superior, próximo à quina com os patamares. / Dams have been used throughout the centuries for a plethora of purposes. Several designs employ steps on the spillways in order to increase the power dissipation. The present research aims to characterize the forces acting on stepped spillways by analyzing both the variation of pressures acting along the pipeline and their distributions on the faces of the steps. In order to achieve this purpose, observations and discussions regarding spillways models with slope characterized as 1V: 0.75H and steps ranging from 3 to 9 centimeters are conducted. The pressure fields measured in the steps were analyzed and compared with results available in the literature. Sub sequentially, models to predict pressures on the faces of the steps and the resulting efforts were proposed. Finally, transpositions were performed on a prototype scale. Generally, it was found that the magnitude of tensile and compressive forces on the vertical faces are relatively similar, being the negative pressure slightly higher on all cases. During the experiments, it was observed that compression forces increased thought the length of the step’s horizontal face, peaking at the edge. It was also noticed that lower flows generated higher pressure coefficients. The measured compression on the horizontal faces of the step and its variation increase towards the edge of the step. It is perceived that the maximum tensile is observed on the top of the step’s vertical faces, near the corner with the horizontal faces.

As expectativas dinâmicas de um mundo de inovações tecnológicas, consubstanciados por explorações menos agressivas ao meio ambiente, dirigidas a um mercado consumista emergente, representam desafios para soluções de problemas de engenharia dirigidos para diversos segmentos da sociedade. Com o desenvolvimento do concreto compactado com rolo (CCR), a partir dos anos 70, o emprego de vertedouros em degraus em barragens de gravidade tornou-se uma solução atrativa, visto que, proporciona, simultaneamente, o aumento da dissipação da energia do escoamento e a redução do tempo e dos custos de implantação dessas obras. Atualmente, têm-se usado como restrições ao seu emprego de vertedouros em degraus valores máximos de vazões específicas que, sem um limite consensual, vêm tolhendo suas potencialidades. A macrorugosidade da calha acelera o processo de aeração do escoamento, se comparado com um vertedouro de soleira lisa, protegendo, para a zona aerada, os degraus contra erosão por cavitação. Entretanto, para o trecho não aerado do escoamento, existem riscos desse processo se estabelecer. As descontinuidades da fronteira sólida propiciam a sucessiva separação da camada limite nos cantos externos dos degraus. Nessa região são geradas pressões muito baixas. O presente estudo, realizado no Instituto de Pesquisas Hidráulicas, objetivou, através de medições experimentais, descrever, caracterizar e modelar pressões hidrodinâmicas nas soleiras dos degraus, estabelecendo limites para incipiência à cavitação no trecho não-aerado do escoamento. Três calhas escalonadas com declividade 1V:0,75H e alturas de degraus iguais a 0,03 m; 0,06 m e 0,09 m foram projetadas e construídas para a investigação. As amostras de pressões registradas com transmissores de pressão a 50 Hz e duração de 3minutos e 12 horas possibilitaram caracterizar o campo de pressão identificando zonas críticas, bem como, avaliando o comportamento estatístico dessas solicitações. As maiores flutuações de pressões foram registradas nas extremidades externas dos degraus e na seção de afloramento da camada limite, chegando a valores negativos de 0,69 vezes a distância vertical entre a crista e a seção analisada. Determinaram-se freqüências dominantes compreendidas entre 7-18 Hz, com valores máximos situados nos patamares dosdegraus. Os números adimensionais de Strouhal, calculados com as freqüências predominantes e as profundidades equivalente do escoamento, diminuíram de 0,40 a 0,04 no sentido do fluxo. Quanto aos limites de incipiência à cavitação, as vazões especificas mais restritivas ao emprego de vertedouros em degraus ficaram na faixa entre 11,3 e 15,6 m²/s com velocidades médias da ordem de 17 m/s, obtidas para a seção de afloramento da camada limite. / Hydraulic researchers have to accomplish the technological and construction materials innovations to new security design project criteria compatible to low costs requirement. At 70’s years, with the development of the Roller Compact Concrete (RCC), the use of stepped spillways has become an attractive solution for gravity dams. In steeply sloping stepped spillways, the large step macro-roughness promotes the occurrence of negative pressures on the step cavity, particularly near the external edge of the vertical step face. Consequently one may expect the occurrence of sub-atmospheric pressure conditions capable to induce cavitation for velocities lower than those observed in smooth chute spillways. Predicting cavitation damage is more complex than predicting cavitation inception. Flow conditions leading to the onset of cavitation are generally conservative in predicting damage. The severity of damage that may be expected is related both to intensity of cavitation and time of exposure. There is still no consensus on the maximum unit discharge or flow velocity which assures cavitation safe design of stepped spillways.The study carried through in the Institute of Hydraulic Research (UFRGS - Brazil), had the main goal: described, characterized and modeled experimental measurements of hydrodynamic pressures on the faces of the steps and established limits of incipient cavitation. Three stepped chutes with declivity 1V:0.75H and 0.03 m; 0.06 m and 0.09 m steps heights were projected. The samples of pressures were registered with pressure transmitters with 50 Hz and 3 minutes duration. Long-duration test were also conducted (12 hours sample size) that permitted characterize the pressure field, identifying critical zones, as well as, evaluating its statistical behaviour. The largest fluctuating pressures had been registered in the outer corner on the steps and at the inception point of air entrainment. At this last position can be expected negative pressure values close to 0.69 times the vertical distance between the crest and the analyzed section. The dominant frequencies found varied between 7-18 Hz. The dimensionless number of Strouhal calculated with the predominant frequencies and the clear equivalent depth, had diminished of 0.40 the 0.04 in the direction of the flow. The pressure measurements indicated specific discharge between 11.3-15.6 m²/s and average velocity in order of 17 m/s to inception cavitation process near the inception point.

As expectativas dinâmicas de um mundo de inovações tecnológicas, consubstanciados por explorações menos agressivas ao meio ambiente, dirigidas a um mercado consumista emergente, representam desafios para soluções de problemas de engenharia dirigidos para diversos segmentos da sociedade. Com o desenvolvimento do concreto compactado com rolo (CCR), a partir dos anos 70, o emprego de vertedouros em degraus em barragens de gravidade tornou-se uma solução atrativa, visto que, proporciona, simultaneamente, o aumento da dissipação da energia do escoamento e a redução do tempo e dos custos de implantação dessas obras. Atualmente, têm-se usado como restrições ao seu emprego de vertedouros em degraus valores máximos de vazões específicas que, sem um limite consensual, vêm tolhendo suas potencialidades. A macrorugosidade da calha acelera o processo de aeração do escoamento, se comparado com um vertedouro de soleira lisa, protegendo, para a zona aerada, os degraus contra erosão por cavitação. Entretanto, para o trecho não aerado do escoamento, existem riscos desse processo se estabelecer. As descontinuidades da fronteira sólida propiciam a sucessiva separação da camada limite nos cantos externos dos degraus. Nessa região são geradas pressões muito baixas. O presente estudo, realizado no Instituto de Pesquisas Hidráulicas, objetivou, através de medições experimentais, descrever, caracterizar e modelar pressões hidrodinâmicas nas soleiras dos degraus, estabelecendo limites para incipiência à cavitação no trecho não-aerado do escoamento. Três calhas escalonadas com declividade 1V:0,75H e alturas de degraus iguais a 0,03 m; 0,06 m e 0,09 m foram projetadas e construídas para a investigação. As amostras de pressões registradas com transmissores de pressão a 50 Hz e duração de 3minutos e 12 horas possibilitaram caracterizar o campo de pressão identificando zonas críticas, bem como, avaliando o comportamento estatístico dessas solicitações. As maiores flutuações de pressões foram registradas nas extremidades externas dos degraus e na seção de afloramento da camada limite, chegando a valores negativos de 0,69 vezes a distância vertical entre a crista e a seção analisada. Determinaram-se freqüências dominantes compreendidas entre 7-18 Hz, com valores máximos situados nos patamares dosdegraus. Os números adimensionais de Strouhal, calculados com as freqüências predominantes e as profundidades equivalente do escoamento, diminuíram de 0,40 a 0,04 no sentido do fluxo. Quanto aos limites de incipiência à cavitação, as vazões especificas mais restritivas ao emprego de vertedouros em degraus ficaram na faixa entre 11,3 e 15,6 m²/s com velocidades médias da ordem de 17 m/s, obtidas para a seção de afloramento da camada limite. / Hydraulic researchers have to accomplish the technological and construction materials innovations to new security design project criteria compatible to low costs requirement. At 70’s years, with the development of the Roller Compact Concrete (RCC), the use of stepped spillways has become an attractive solution for gravity dams. In steeply sloping stepped spillways, the large step macro-roughness promotes the occurrence of negative pressures on the step cavity, particularly near the external edge of the vertical step face. Consequently one may expect the occurrence of sub-atmospheric pressure conditions capable to induce cavitation for velocities lower than those observed in smooth chute spillways. Predicting cavitation damage is more complex than predicting cavitation inception. Flow conditions leading to the onset of cavitation are generally conservative in predicting damage. The severity of damage that may be expected is related both to intensity of cavitation and time of exposure. There is still no consensus on the maximum unit discharge or flow velocity which assures cavitation safe design of stepped spillways.The study carried through in the Institute of Hydraulic Research (UFRGS - Brazil), had the main goal: described, characterized and modeled experimental measurements of hydrodynamic pressures on the faces of the steps and established limits of incipient cavitation. Three stepped chutes with declivity 1V:0.75H and 0.03 m; 0.06 m and 0.09 m steps heights were projected. The samples of pressures were registered with pressure transmitters with 50 Hz and 3 minutes duration. Long-duration test were also conducted (12 hours sample size) that permitted characterize the pressure field, identifying critical zones, as well as, evaluating its statistical behaviour. The largest fluctuating pressures had been registered in the outer corner on the steps and at the inception point of air entrainment. At this last position can be expected negative pressure values close to 0.69 times the vertical distance between the crest and the analyzed section. The dominant frequencies found varied between 7-18 Hz. The dimensionless number of Strouhal calculated with the predominant frequencies and the clear equivalent depth, had diminished of 0.40 the 0.04 in the direction of the flow. The pressure measurements indicated specific discharge between 11.3-15.6 m²/s and average velocity in order of 17 m/s to inception cavitation process near the inception point.

Neste trabalho apresenta-se uma avaliação do estado da arte de aspectos hidráulicos relacionados aos vertedores em degraus submetidos aos diferentes regimes de escoamento. Em uma segunda parte, é sugerida uma metodologia adimensional e simplificada para o pré-dimensionamento do comprimento de bacias de dissipação por ressalto hidráulico, além de uma abordagem conceitual voltada ao escoamento sobre um degrau. Entre os tópicos tratados na avaliação do estado da arte, pode-se citar, por exemplo, a dissipação de energia promovida pelos degraus, o risco de cavitação, a aeração do escoamento, o uso de aeradores de fundo e geometrias não convencionais. Quanto à metodologia desenvolvida, fundamentada na segunda lei do movimento de Newton associada à equação de Darcy-Weisbach, apresenta-se algumas comparações com dados experimentais de diferentes pesquisadores, além de exemplos de aplicação. Foi possível concluir, com a avaliação do estado da arte, que há um interesse crescente pelo conhecimento das características hidráulicas de vertedores em degraus. Através da metodologia desenvolvida, graças às comparações com dados experimentais de diferentes pesquisadores, foi possível concluir que não há um consenso absoluto sobre a magnitude do fator de resistência de Darcy-Weisbach. Com os exemplos de aplicação apresentados, notou-se que para um mesmo problema, o uso de diferentes métodos pode conduzir a projetos significativamente diferentes. / This work presents a state-of-the-art evaluation of aspects related hydraulic to stepped spillways submitted to the different flow regimes. In a second part, it is suggested a dimensionless and simplified methodology for preliminary design of the stilling basin length, besides a conceptual approach related to the free fall hydraulics. Among topics treaties in the state-of-the-art evaluation, it can cite, for example, the energy dissipation promoted by the steps, incipient cavitation, the air entrainment, the use of bottom aerator and unconventional geometries. Regarding the developed methodology, based in the Newton\'s law of motion associate to Darcy-Weisbach equation, it presents some comparisons with experimental data of different researchers, besides application examples. It was possible to conclude, with the state-of-the-art evaluation, that there is an increasing interest for hydraulics characteristic of stepped spillways knowledge. Through the developed methodology, after comparisons with experimental data of different researchers, was possible to conclude that there is not an absolute consensus about the Darcy-Weisbach friction factor magnitude. With the application examples, it noticed that for a same problem, the different methods use can lead for significantly different designs.

Vertedouros em degraus têm se tornado uma boa opção em barragens pela facilidade de construção e, principalmente, por apresentar uma dissipação significativa de energia ao longo de sua calha, o que faz com que a parcela de energia a ser dissipada por ressalto hidráulico a jusante da barragem diminua, ocasionando uma significativa redução nas dimensões da estrutura da bacia de dissipação. A aplicação de soleira terminal em bacias de dissipação provoca uma melhor distribuição das velocidades e um melhor comportamento da flutuação de pressões ao longo da bacia e a jusante, aumentando assim seu desempenho na dissipação de energia. A combinação destas duas formas de dissipação (vertedouro em degraus e bacia de dissipação com soleira terminal) pode ser utilizada como uma solução econômica e segura, entretanto, o dimensionamento dessas estruturas esbarra na falta de critérios e informações, principalmente quanto ao tamanho e posição ideal para o projeto de uma soleira terminal. No presente trabalho foram analisados os dados de pressões médias e flutuações de pressões no interior da bacia e a jusante da soleira terminal, sendo apresentadas metodologias para dimensionamento de tamanho e para posicionamento de uma soleira em função do número de Froude da entrada do ressalto hidráulico. Também está sendo apresentada uma metodologia para análise das pressões médias em bacia do tipo I (sem soleira), além de uma comparação do comportamento dos esforços em bacia com soleira e sem soleira, com vertedouro em degraus e vertedouro de calha lisa. Os dados utilizados foram obtidos em modelo experimental, construído no Laboratório de Obras Hidráulicas (LOH) do Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH-UFRGS), através de transdutores de pressões fixados junto ao fundo do canal de ensaios para diversas vazões, considerando, além de bacia tipo I, diferentes tamanhos de soleira terminal, situadas em diferentes posições do canal. / Stepped spillways have become a good option in dams for ease of construction and especially to present a significant dissipation of energy throughout the spillway chute, which causes that the parcel of energy to be dissipated by hydraulic jump downstream of dam decreases, causing a significant reduction in the dimensions of the stilling basin structure. The application of end sill in stilling basins causes a better distribution of speeds and better behavior of the fluctuation of pressure along the basin and downstream, thus increasing their performance in energy dissipation. The combination of these two forms of dissipation (stepped spillway and stilling basin with end sill) can be used as an economical and safe solution, however, the sizing of these structures hindered by a lack of criteria and information, especially regarding the ideal size and position for design of an end sill. In this study the data mean pressures and pressure fluctuations within the basin and downstream of the end sill were analyzed, being presented methodologies for design the size and position of a sill as a function of the Froude number of the input of the hydraulic jump. A methodology for analysis of mean pressure in type I basin (without sill) is also being presented, and a comparison of the behavior of efforts in basin with and without end sill, with stepped spillway and flat spillway chute. The data were obtained in an experimental model built at the Laboratory of Hydraulic Works (LOH) at the Institute of Hydraulic Research (IPH-UFRGS), through pressure transducers attached at the bottom of the test channel for various flow rates, considering, in addition of type I basin, different sizes of end sill at different positions of the channel.

Vertedouros em degraus têm se tornado uma boa opção em barragens pela facilidade de construção e, principalmente, por apresentar uma dissipação significativa de energia ao longo de sua calha, o que faz com que a parcela de energia a ser dissipada por ressalto hidráulico a jusante da barragem diminua, ocasionando uma significativa redução nas dimensões da estrutura da bacia de dissipação. A aplicação de soleira terminal em bacias de dissipação provoca uma melhor distribuição das velocidades e um melhor comportamento da flutuação de pressões ao longo da bacia e a jusante, aumentando assim seu desempenho na dissipação de energia. A combinação destas duas formas de dissipação (vertedouro em degraus e bacia de dissipação com soleira terminal) pode ser utilizada como uma solução econômica e segura, entretanto, o dimensionamento dessas estruturas esbarra na falta de critérios e informações, principalmente quanto ao tamanho e posição ideal para o projeto de uma soleira terminal. No presente trabalho foram analisados os dados de pressões médias e flutuações de pressões no interior da bacia e a jusante da soleira terminal, sendo apresentadas metodologias para dimensionamento de tamanho e para posicionamento de uma soleira em função do número de Froude da entrada do ressalto hidráulico. Também está sendo apresentada uma metodologia para análise das pressões médias em bacia do tipo I (sem soleira), além de uma comparação do comportamento dos esforços em bacia com soleira e sem soleira, com vertedouro em degraus e vertedouro de calha lisa. Os dados utilizados foram obtidos em modelo experimental, construído no Laboratório de Obras Hidráulicas (LOH) do Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH-UFRGS), através de transdutores de pressões fixados junto ao fundo do canal de ensaios para diversas vazões, considerando, além de bacia tipo I, diferentes tamanhos de soleira terminal, situadas em diferentes posições do canal. / Stepped spillways have become a good option in dams for ease of construction and especially to present a significant dissipation of energy throughout the spillway chute, which causes that the parcel of energy to be dissipated by hydraulic jump downstream of dam decreases, causing a significant reduction in the dimensions of the stilling basin structure. The application of end sill in stilling basins causes a better distribution of speeds and better behavior of the fluctuation of pressure along the basin and downstream, thus increasing their performance in energy dissipation. The combination of these two forms of dissipation (stepped spillway and stilling basin with end sill) can be used as an economical and safe solution, however, the sizing of these structures hindered by a lack of criteria and information, especially regarding the ideal size and position for design of an end sill. In this study the data mean pressures and pressure fluctuations within the basin and downstream of the end sill were analyzed, being presented methodologies for design the size and position of a sill as a function of the Froude number of the input of the hydraulic jump. A methodology for analysis of mean pressure in type I basin (without sill) is also being presented, and a comparison of the behavior of efforts in basin with and without end sill, with stepped spillway and flat spillway chute. The data were obtained in an experimental model built at the Laboratory of Hydraulic Works (LOH) at the Institute of Hydraulic Research (IPH-UFRGS), through pressure transducers attached at the bottom of the test channel for various flow rates, considering, in addition of type I basin, different sizes of end sill at different positions of the channel.