A análise de transientes hidráulicos em sistemas de bombeamento deve ser realizada já nos estudos de concepção, mesmo que simplificadamente, para assegurar a viabilidade técnica e econômica dos sistemas nas etapas posteriores dos estudos, com maior nível de detalhe. A magnitude dos transientes hidráulicos depende das características do sistema, dentre as quais se destaca o material dos condutos. Conhecendo-se as pressões extremas ao longo do conduto, este poderá ser dimensionado com segurança para resistir aos esforços gerados pelos transientes ou poderão ser utilizados dispositivos de proteção, reduzindo os efeitos dos transientes. A melhor escolha deverá, portanto, se basear em critérios técnicos e econômicos. Essa dissertação tem como objetivo contribuir para o estabelecimento de parâmetros e critérios que auxiliem a escolha do material dos condutos forçados em sistemas de bombeamento, ao nível de estudo de concepção, considerando-se aspectos relativos aos transientes hidráulicos e econômicos. Para tanto, foram realizadas simulações computacionais com o software Allievi. Assim, foram apresentados gráficos com as envoltórias de cargas extremas, possibilitando-se estimar o comportamento dos transientes hidráulicos em sistemas similares aos estudados. Ainda, foram realizadas análises de sensibilidade quanto ao momento de inércia do conjunto motor-bomba, comprimento e diâmetro da adutora e se discutiu como cada uma dessas características influenciou os transientes hidráulicos. Os valores de oscilação de cargas ao longo das diferentes adutoras foram relacionados com parâmetros frequentemente utilizados em estudos de sistemas de geração de energia hidrelétrica para indicar a necessidade de proteção contra transientes. Verificou-se a aplicabilidade desses parâmetros como indicadores da necessidade de proteção também em sistemas de bombeamento e, com base nesses parâmetros, propôs-se uma metodologia para estimar as envoltórias de cargas piezométricas extremas ao longo da adutora. Após, foram feitas novas simulações com os dispositivos de proteção, permitindo-se elencar soluções tecnicamente viáveis para os sistemas estudados. Ao final, para estabelecer critérios técnicos e econômicos, foram geradas curvas de custos para as adutoras de diferentes materiais e dispositivos de proteção e foram elencadas as melhores alternativas para os sistemas. Concluiu-se que o uso de dispositivos de proteção apresenta grande potencial de aplicação com vistas à redução dos custos de implantação de sistemas de bombeamento. / It is essential to analyze hydraulic transients in pumping systems already in concept design stage, even in a simplified way, to ensure its technical and economic feasibility throughout the next project stages, when there is a higher level of detailing. Hydraulic transient magnitude depends on the characteristics of the system, among which the material of the pipes stands out. By knowing the extremes pressures along the pipe, it can be safely design to withstand the stresses generated in the transient flow or protection devices may be used, reducing the effects of the transients. The best option should therefore to be based on technical and economic criteria. This dissertation aims to contribute on the establishment of parameters and criteria to support the pipe material selection in pumping systems concept design by considering aspects related to hydraulic transients and economic analysis. So, for the characterization of the unsteady flow pressure profile it has been done unsteady flow simulations by using the Allievi software. There was presented graphics with extrema head profiles to make possible to estimate the hydraulic transient behavior in pumping systems. Additionally, it has been done sensitivity analysis of the combined polar moment of inertia of motor and pump and of the pipe diameter and length. Thus, it was discussed how each of these information influenced hydraulic transient. The head oscillation values along different pipes were associated to parameters frequently used in studies of hydropower generation systems to indicate the need for protection against transients. It was verified that these parameters can be used to indicate the need of protection also in pumping systems studies and based on this it had been proposed a new simplified method to estimate extrema head profiles along the pipe. After that, new simulations were made with protection devices allowing the identification of technically feasible solutions for both studied systems. In order to establish technical and economic criteria, cost curves were generated for different pipe materials and protection devices and the best alternatives for each system were listed based on these criteria. So, it has been concluded that the use of a protection device presents a great potential to reducing pumping systems implantation costs.

O Conduto Forçado Álvaro Chaves (CFAC), grande obra de drenagem urbana realizada na cidade de Porto Alegre (Brasil) e implantado entre 2005 e 2008, para amenizar alagamentos em ruas e avenidas de uma região altamente populosa, com cerca de 2,8km2. A concepção e dimensionamento do CFAC chamam atenção por alguns aspectos pouco usuais: um reservatório de detenção e um conduto forçado combinados na mesma estrutura e seção transversal retangular, diminuindo de montante para jusante. Além disso, também apresenta contrações verticais e horizontais sem concordâncias apropriadas, desnível geométrico abrupto e mudança de direção em ângulos vivos com diminuição da seção transversal. Esse sistema de drenagem deságua no Rio Guaíba. Em fevereiro de 2013, o CFAC ganhou notoriedade, devido ao colapso de parte de sua estrutura durante um forte evento chuvoso. A cobertura de concreto armado do CFAC foi deslocada e o solo removido, causando o afundamento do pavimento. Para investigar o CFAC, um modelo de detalhe em escala reduzida foi construído no Pavilhão Fluvial do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. A escala de redução geométrica adotada é de 1:15, resultando em um modelo de 30 m de comprimento, com alturas (16 – 42 cm) e larguras variáveis (20 – 50 cm). O modelo reproduz o reservatório de detenção, suas duas entradas e parte do conduto forçado à jusante do reservatório de detenção. O procedimento experimental baseia-se na propagação de um hidrograma no interior do conduto. As variáveis experimentais são a vazão afluente inicial, a configuração de abertura dos registros de jusante (essas duas variáveis condicionam o nível d’água inicial) e o tempo de abertura dos registros de montante. Os principais dados, gerados nos ensaios, são imagens obtidas em vídeo (câmeras normais e câmera rápida) e registros de vazão. A minuciosa análise das imagens permitiu o estabelecimento de três padrões de enchimento do conduto, apresentados a seguir. Padrão A – Enchimento do conduto sem aprisionamento de bolsões de ar e pressurização quasi-steady: observado em ensaios em que as condições de drenagem são mais favoráveis, resultando nos menores níveis iniciais de água no interior do conduto, dada uma vazão afluente. Esse padrão representa situações em que o nível do Rio Guaíba está mais baixo, permitindo maior capacidade de drenagem do sistema. Padrão B – Enchimento do conduto com aprisionamento de bolsões de ar e pressurização quasi-steady: estabelece-se, mediante condições de drenagem um pouco mais restritivas do que no Padrão A, resultando em maiores níveis iniciais para as mesmas vazões afluentes. Situações em que o nível do Rio Guaíba encontra-se mais elevado podem ser associadas a esse padrão. Padrão C – Enchimento do conduto com aprisionamento de bolsões de ar e pressurização unsteady: as condições de drenagem mais adversas condicionam o estabelecimento do Padrão C e resultam em altos níveis iniciais, mesmo para vazões iniciais bastante baixas. Esse padrão representa as condições mais extremas ensaiadas, seja em relação aos níveis do Rio Guaíba associados, seja em relação à severidade das consequências observadas. Além disso, inúmeros fenômenos e instabilidades hidráulicas foram observados: transição entre o escoamento à superfície livre e pressurizado, ressaltos hidráulicos móveis, aprisionamento e movimentação de bolsões de ar, ondas oscilatórias e ondas de translação. De uma maneira geral, o modelo do CFAC permite o estudo do escoamento, em regime não permanente, em um sistema de drenagem urbana que apresenta diversas singularidades, como curvas, contrações horizontais e verticais sem concordância e mudanças de direção com redução da seção transversal em ângulos vivos. / The Álvaro Chaves Penstock System (ACP) is the greater storm sewer device of Porto Alegre (Brazil), it was built between 2005 and 2008 and aims to overcome recurrent floods in main avenues located in a highly populated region of 2,8km2. The conception and design of ACP highlight some unusual aspects: the combination of an on-line detention reservoir and a penstock and the reduction of its rectangular cross-sectional area to downstream direction. Moreover, there are abrupt sharp edges contractions (horizontal and vertical), 90° bend with a reduction of rectangular cross-sectional and abrupt geometrical drop. In February 2013, the ACP became notorious because of its structural collapse during a rainstorm event. The precast concrete cover was displaced, soil was removed and the pavement descended. In order to investigate the ACP system, a partial physical model was built in the Instituto de Pesquisas Hidráulicas of the Universidade Federal do Rio Grande do Sul. The geometric scale factor is 1:15, resulting in a 30 m length, variable height (16cm - 42cm) and width (20cm - 50cm). The model reproduces the detention reservoir, its entrances and the short portion of the penstock located downstream of the detention reservoir. The experimental procedure is based is on the propagation of a hydrograph in the conduit. The experimental variables are affluent initial discharge, the overture settings of the downstream discharge valves (both variables affect initial water level in the conduct) and the opening periods of the upstream valves. The data generated during the tests are video images (general camera and high-speed camera) and discharge records. A comprehensive analysis of the images led the identification of tree basic patterns of pipe filling. Pattern A – Filling without air entrapment in quasi-steady state: observed during tests with most favorable drainage conditions, resulting in lower initial water levels in the conduct, given an initial discharge. This pattern represents situations where the Guaíba River level is lower, allowing better drainage capacity. Pattern B – Filling with air entrapment in quasi-steady state: established considering drainage conditions a little bit more restrictives than in Pattern A, resulting in higher initial levels in the conduct for the same affluent discharges. Situations of higher levels in the Guaiba River may be associated with this pattern. Pattern C – Filling with air entrapment in unsteady state: established under the most adverse drainage conditions, resulting in higher initial water level even for very low initial affluent discharges. This pattern represents the most extreme conditions tested, whether in relation to the associated levels of the Guaiba River and in relation to the severity of the observed effects. Furthermore, numerous phenomena and hydraulic instabilities were observed: transition between free surface and pressurized flow, moving hydraulic jumps, entrapment of air pockets, oscillatory waves and translational waves. In general, the ACP model allows the study of the flow in a storm sewer system under unsteady state, considering its singularities: bends, horizontal and vertical contraction without alignment and direction changes with reduction of the cross section sharp angles.

A análise de transientes hidráulicos em sistemas de bombeamento deve ser realizada já nos estudos de concepção, mesmo que simplificadamente, para assegurar a viabilidade técnica e econômica dos sistemas nas etapas posteriores dos estudos, com maior nível de detalhe. A magnitude dos transientes hidráulicos depende das características do sistema, dentre as quais se destaca o material dos condutos. Conhecendo-se as pressões extremas ao longo do conduto, este poderá ser dimensionado com segurança para resistir aos esforços gerados pelos transientes ou poderão ser utilizados dispositivos de proteção, reduzindo os efeitos dos transientes. A melhor escolha deverá, portanto, se basear em critérios técnicos e econômicos. Essa dissertação tem como objetivo contribuir para o estabelecimento de parâmetros e critérios que auxiliem a escolha do material dos condutos forçados em sistemas de bombeamento, ao nível de estudo de concepção, considerando-se aspectos relativos aos transientes hidráulicos e econômicos. Para tanto, foram realizadas simulações computacionais com o software Allievi. Assim, foram apresentados gráficos com as envoltórias de cargas extremas, possibilitando-se estimar o comportamento dos transientes hidráulicos em sistemas similares aos estudados. Ainda, foram realizadas análises de sensibilidade quanto ao momento de inércia do conjunto motor-bomba, comprimento e diâmetro da adutora e se discutiu como cada uma dessas características influenciou os transientes hidráulicos. Os valores de oscilação de cargas ao longo das diferentes adutoras foram relacionados com parâmetros frequentemente utilizados em estudos de sistemas de geração de energia hidrelétrica para indicar a necessidade de proteção contra transientes. Verificou-se a aplicabilidade desses parâmetros como indicadores da necessidade de proteção também em sistemas de bombeamento e, com base nesses parâmetros, propôs-se uma metodologia para estimar as envoltórias de cargas piezométricas extremas ao longo da adutora. Após, foram feitas novas simulações com os dispositivos de proteção, permitindo-se elencar soluções tecnicamente viáveis para os sistemas estudados. Ao final, para estabelecer critérios técnicos e econômicos, foram geradas curvas de custos para as adutoras de diferentes materiais e dispositivos de proteção e foram elencadas as melhores alternativas para os sistemas. Concluiu-se que o uso de dispositivos de proteção apresenta grande potencial de aplicação com vistas à redução dos custos de implantação de sistemas de bombeamento. / It is essential to analyze hydraulic transients in pumping systems already in concept design stage, even in a simplified way, to ensure its technical and economic feasibility throughout the next project stages, when there is a higher level of detailing. Hydraulic transient magnitude depends on the characteristics of the system, among which the material of the pipes stands out. By knowing the extremes pressures along the pipe, it can be safely design to withstand the stresses generated in the transient flow or protection devices may be used, reducing the effects of the transients. The best option should therefore to be based on technical and economic criteria. This dissertation aims to contribute on the establishment of parameters and criteria to support the pipe material selection in pumping systems concept design by considering aspects related to hydraulic transients and economic analysis. So, for the characterization of the unsteady flow pressure profile it has been done unsteady flow simulations by using the Allievi software. There was presented graphics with extrema head profiles to make possible to estimate the hydraulic transient behavior in pumping systems. Additionally, it has been done sensitivity analysis of the combined polar moment of inertia of motor and pump and of the pipe diameter and length. Thus, it was discussed how each of these information influenced hydraulic transient. The head oscillation values along different pipes were associated to parameters frequently used in studies of hydropower generation systems to indicate the need for protection against transients. It was verified that these parameters can be used to indicate the need of protection also in pumping systems studies and based on this it had been proposed a new simplified method to estimate extrema head profiles along the pipe. After that, new simulations were made with protection devices allowing the identification of technically feasible solutions for both studied systems. In order to establish technical and economic criteria, cost curves were generated for different pipe materials and protection devices and the best alternatives for each system were listed based on these criteria. So, it has been concluded that the use of a protection device presents a great potential to reducing pumping systems implantation costs.

A análise de transientes hidráulicos em sistemas de bombeamento deve ser realizada já nos estudos de concepção, mesmo que simplificadamente, para assegurar a viabilidade técnica e econômica dos sistemas nas etapas posteriores dos estudos, com maior nível de detalhe. A magnitude dos transientes hidráulicos depende das características do sistema, dentre as quais se destaca o material dos condutos. Conhecendo-se as pressões extremas ao longo do conduto, este poderá ser dimensionado com segurança para resistir aos esforços gerados pelos transientes ou poderão ser utilizados dispositivos de proteção, reduzindo os efeitos dos transientes. A melhor escolha deverá, portanto, se basear em critérios técnicos e econômicos. Essa dissertação tem como objetivo contribuir para o estabelecimento de parâmetros e critérios que auxiliem a escolha do material dos condutos forçados em sistemas de bombeamento, ao nível de estudo de concepção, considerando-se aspectos relativos aos transientes hidráulicos e econômicos. Para tanto, foram realizadas simulações computacionais com o software Allievi. Assim, foram apresentados gráficos com as envoltórias de cargas extremas, possibilitando-se estimar o comportamento dos transientes hidráulicos em sistemas similares aos estudados. Ainda, foram realizadas análises de sensibilidade quanto ao momento de inércia do conjunto motor-bomba, comprimento e diâmetro da adutora e se discutiu como cada uma dessas características influenciou os transientes hidráulicos. Os valores de oscilação de cargas ao longo das diferentes adutoras foram relacionados com parâmetros frequentemente utilizados em estudos de sistemas de geração de energia hidrelétrica para indicar a necessidade de proteção contra transientes. Verificou-se a aplicabilidade desses parâmetros como indicadores da necessidade de proteção também em sistemas de bombeamento e, com base nesses parâmetros, propôs-se uma metodologia para estimar as envoltórias de cargas piezométricas extremas ao longo da adutora. Após, foram feitas novas simulações com os dispositivos de proteção, permitindo-se elencar soluções tecnicamente viáveis para os sistemas estudados. Ao final, para estabelecer critérios técnicos e econômicos, foram geradas curvas de custos para as adutoras de diferentes materiais e dispositivos de proteção e foram elencadas as melhores alternativas para os sistemas. Concluiu-se que o uso de dispositivos de proteção apresenta grande potencial de aplicação com vistas à redução dos custos de implantação de sistemas de bombeamento. / It is essential to analyze hydraulic transients in pumping systems already in concept design stage, even in a simplified way, to ensure its technical and economic feasibility throughout the next project stages, when there is a higher level of detailing. Hydraulic transient magnitude depends on the characteristics of the system, among which the material of the pipes stands out. By knowing the extremes pressures along the pipe, it can be safely design to withstand the stresses generated in the transient flow or protection devices may be used, reducing the effects of the transients. The best option should therefore to be based on technical and economic criteria. This dissertation aims to contribute on the establishment of parameters and criteria to support the pipe material selection in pumping systems concept design by considering aspects related to hydraulic transients and economic analysis. So, for the characterization of the unsteady flow pressure profile it has been done unsteady flow simulations by using the Allievi software. There was presented graphics with extrema head profiles to make possible to estimate the hydraulic transient behavior in pumping systems. Additionally, it has been done sensitivity analysis of the combined polar moment of inertia of motor and pump and of the pipe diameter and length. Thus, it was discussed how each of these information influenced hydraulic transient. The head oscillation values along different pipes were associated to parameters frequently used in studies of hydropower generation systems to indicate the need for protection against transients. It was verified that these parameters can be used to indicate the need of protection also in pumping systems studies and based on this it had been proposed a new simplified method to estimate extrema head profiles along the pipe. After that, new simulations were made with protection devices allowing the identification of technically feasible solutions for both studied systems. In order to establish technical and economic criteria, cost curves were generated for different pipe materials and protection devices and the best alternatives for each system were listed based on these criteria. So, it has been concluded that the use of a protection device presents a great potential to reducing pumping systems implantation costs.

O Conduto Forçado Álvaro Chaves (CFAC), grande obra de drenagem urbana realizada na cidade de Porto Alegre (Brasil) e implantado entre 2005 e 2008, para amenizar alagamentos em ruas e avenidas de uma região altamente populosa, com cerca de 2,8km2. A concepção e dimensionamento do CFAC chamam atenção por alguns aspectos pouco usuais: um reservatório de detenção e um conduto forçado combinados na mesma estrutura e seção transversal retangular, diminuindo de montante para jusante. Além disso, também apresenta contrações verticais e horizontais sem concordâncias apropriadas, desnível geométrico abrupto e mudança de direção em ângulos vivos com diminuição da seção transversal. Esse sistema de drenagem deságua no Rio Guaíba. Em fevereiro de 2013, o CFAC ganhou notoriedade, devido ao colapso de parte de sua estrutura durante um forte evento chuvoso. A cobertura de concreto armado do CFAC foi deslocada e o solo removido, causando o afundamento do pavimento. Para investigar o CFAC, um modelo de detalhe em escala reduzida foi construído no Pavilhão Fluvial do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. A escala de redução geométrica adotada é de 1:15, resultando em um modelo de 30 m de comprimento, com alturas (16 – 42 cm) e larguras variáveis (20 – 50 cm). O modelo reproduz o reservatório de detenção, suas duas entradas e parte do conduto forçado à jusante do reservatório de detenção. O procedimento experimental baseia-se na propagação de um hidrograma no interior do conduto. As variáveis experimentais são a vazão afluente inicial, a configuração de abertura dos registros de jusante (essas duas variáveis condicionam o nível d’água inicial) e o tempo de abertura dos registros de montante. Os principais dados, gerados nos ensaios, são imagens obtidas em vídeo (câmeras normais e câmera rápida) e registros de vazão. A minuciosa análise das imagens permitiu o estabelecimento de três padrões de enchimento do conduto, apresentados a seguir. Padrão A – Enchimento do conduto sem aprisionamento de bolsões de ar e pressurização quasi-steady: observado em ensaios em que as condições de drenagem são mais favoráveis, resultando nos menores níveis iniciais de água no interior do conduto, dada uma vazão afluente. Esse padrão representa situações em que o nível do Rio Guaíba está mais baixo, permitindo maior capacidade de drenagem do sistema. Padrão B – Enchimento do conduto com aprisionamento de bolsões de ar e pressurização quasi-steady: estabelece-se, mediante condições de drenagem um pouco mais restritivas do que no Padrão A, resultando em maiores níveis iniciais para as mesmas vazões afluentes. Situações em que o nível do Rio Guaíba encontra-se mais elevado podem ser associadas a esse padrão. Padrão C – Enchimento do conduto com aprisionamento de bolsões de ar e pressurização unsteady: as condições de drenagem mais adversas condicionam o estabelecimento do Padrão C e resultam em altos níveis iniciais, mesmo para vazões iniciais bastante baixas. Esse padrão representa as condições mais extremas ensaiadas, seja em relação aos níveis do Rio Guaíba associados, seja em relação à severidade das consequências observadas. Além disso, inúmeros fenômenos e instabilidades hidráulicas foram observados: transição entre o escoamento à superfície livre e pressurizado, ressaltos hidráulicos móveis, aprisionamento e movimentação de bolsões de ar, ondas oscilatórias e ondas de translação. De uma maneira geral, o modelo do CFAC permite o estudo do escoamento, em regime não permanente, em um sistema de drenagem urbana que apresenta diversas singularidades, como curvas, contrações horizontais e verticais sem concordância e mudanças de direção com redução da seção transversal em ângulos vivos. / The Álvaro Chaves Penstock System (ACP) is the greater storm sewer device of Porto Alegre (Brazil), it was built between 2005 and 2008 and aims to overcome recurrent floods in main avenues located in a highly populated region of 2,8km2. The conception and design of ACP highlight some unusual aspects: the combination of an on-line detention reservoir and a penstock and the reduction of its rectangular cross-sectional area to downstream direction. Moreover, there are abrupt sharp edges contractions (horizontal and vertical), 90° bend with a reduction of rectangular cross-sectional and abrupt geometrical drop. In February 2013, the ACP became notorious because of its structural collapse during a rainstorm event. The precast concrete cover was displaced, soil was removed and the pavement descended. In order to investigate the ACP system, a partial physical model was built in the Instituto de Pesquisas Hidráulicas of the Universidade Federal do Rio Grande do Sul. The geometric scale factor is 1:15, resulting in a 30 m length, variable height (16cm - 42cm) and width (20cm - 50cm). The model reproduces the detention reservoir, its entrances and the short portion of the penstock located downstream of the detention reservoir. The experimental procedure is based is on the propagation of a hydrograph in the conduit. The experimental variables are affluent initial discharge, the overture settings of the downstream discharge valves (both variables affect initial water level in the conduct) and the opening periods of the upstream valves. The data generated during the tests are video images (general camera and high-speed camera) and discharge records. A comprehensive analysis of the images led the identification of tree basic patterns of pipe filling. Pattern A – Filling without air entrapment in quasi-steady state: observed during tests with most favorable drainage conditions, resulting in lower initial water levels in the conduct, given an initial discharge. This pattern represents situations where the Guaíba River level is lower, allowing better drainage capacity. Pattern B – Filling with air entrapment in quasi-steady state: established considering drainage conditions a little bit more restrictives than in Pattern A, resulting in higher initial levels in the conduct for the same affluent discharges. Situations of higher levels in the Guaiba River may be associated with this pattern. Pattern C – Filling with air entrapment in unsteady state: established under the most adverse drainage conditions, resulting in higher initial water level even for very low initial affluent discharges. This pattern represents the most extreme conditions tested, whether in relation to the associated levels of the Guaiba River and in relation to the severity of the observed effects. Furthermore, numerous phenomena and hydraulic instabilities were observed: transition between free surface and pressurized flow, moving hydraulic jumps, entrapment of air pockets, oscillatory waves and translational waves. In general, the ACP model allows the study of the flow in a storm sewer system under unsteady state, considering its singularities: bends, horizontal and vertical contraction without alignment and direction changes with reduction of the cross section sharp angles.

O Conduto Forçado Álvaro Chaves (CFAC), grande obra de drenagem urbana realizada na cidade de Porto Alegre (Brasil) e implantado entre 2005 e 2008, para amenizar alagamentos em ruas e avenidas de uma região altamente populosa, com cerca de 2,8km2. A concepção e dimensionamento do CFAC chamam atenção por alguns aspectos pouco usuais: um reservatório de detenção e um conduto forçado combinados na mesma estrutura e seção transversal retangular, diminuindo de montante para jusante. Além disso, também apresenta contrações verticais e horizontais sem concordâncias apropriadas, desnível geométrico abrupto e mudança de direção em ângulos vivos com diminuição da seção transversal. Esse sistema de drenagem deságua no Rio Guaíba. Em fevereiro de 2013, o CFAC ganhou notoriedade, devido ao colapso de parte de sua estrutura durante um forte evento chuvoso. A cobertura de concreto armado do CFAC foi deslocada e o solo removido, causando o afundamento do pavimento. Para investigar o CFAC, um modelo de detalhe em escala reduzida foi construído no Pavilhão Fluvial do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. A escala de redução geométrica adotada é de 1:15, resultando em um modelo de 30 m de comprimento, com alturas (16 – 42 cm) e larguras variáveis (20 – 50 cm). O modelo reproduz o reservatório de detenção, suas duas entradas e parte do conduto forçado à jusante do reservatório de detenção. O procedimento experimental baseia-se na propagação de um hidrograma no interior do conduto. As variáveis experimentais são a vazão afluente inicial, a configuração de abertura dos registros de jusante (essas duas variáveis condicionam o nível d’água inicial) e o tempo de abertura dos registros de montante. Os principais dados, gerados nos ensaios, são imagens obtidas em vídeo (câmeras normais e câmera rápida) e registros de vazão. A minuciosa análise das imagens permitiu o estabelecimento de três padrões de enchimento do conduto, apresentados a seguir. Padrão A – Enchimento do conduto sem aprisionamento de bolsões de ar e pressurização quasi-steady: observado em ensaios em que as condições de drenagem são mais favoráveis, resultando nos menores níveis iniciais de água no interior do conduto, dada uma vazão afluente. Esse padrão representa situações em que o nível do Rio Guaíba está mais baixo, permitindo maior capacidade de drenagem do sistema. Padrão B – Enchimento do conduto com aprisionamento de bolsões de ar e pressurização quasi-steady: estabelece-se, mediante condições de drenagem um pouco mais restritivas do que no Padrão A, resultando em maiores níveis iniciais para as mesmas vazões afluentes. Situações em que o nível do Rio Guaíba encontra-se mais elevado podem ser associadas a esse padrão. Padrão C – Enchimento do conduto com aprisionamento de bolsões de ar e pressurização unsteady: as condições de drenagem mais adversas condicionam o estabelecimento do Padrão C e resultam em altos níveis iniciais, mesmo para vazões iniciais bastante baixas. Esse padrão representa as condições mais extremas ensaiadas, seja em relação aos níveis do Rio Guaíba associados, seja em relação à severidade das consequências observadas. Além disso, inúmeros fenômenos e instabilidades hidráulicas foram observados: transição entre o escoamento à superfície livre e pressurizado, ressaltos hidráulicos móveis, aprisionamento e movimentação de bolsões de ar, ondas oscilatórias e ondas de translação. De uma maneira geral, o modelo do CFAC permite o estudo do escoamento, em regime não permanente, em um sistema de drenagem urbana que apresenta diversas singularidades, como curvas, contrações horizontais e verticais sem concordância e mudanças de direção com redução da seção transversal em ângulos vivos. / The Álvaro Chaves Penstock System (ACP) is the greater storm sewer device of Porto Alegre (Brazil), it was built between 2005 and 2008 and aims to overcome recurrent floods in main avenues located in a highly populated region of 2,8km2. The conception and design of ACP highlight some unusual aspects: the combination of an on-line detention reservoir and a penstock and the reduction of its rectangular cross-sectional area to downstream direction. Moreover, there are abrupt sharp edges contractions (horizontal and vertical), 90° bend with a reduction of rectangular cross-sectional and abrupt geometrical drop. In February 2013, the ACP became notorious because of its structural collapse during a rainstorm event. The precast concrete cover was displaced, soil was removed and the pavement descended. In order to investigate the ACP system, a partial physical model was built in the Instituto de Pesquisas Hidráulicas of the Universidade Federal do Rio Grande do Sul. The geometric scale factor is 1:15, resulting in a 30 m length, variable height (16cm - 42cm) and width (20cm - 50cm). The model reproduces the detention reservoir, its entrances and the short portion of the penstock located downstream of the detention reservoir. The experimental procedure is based is on the propagation of a hydrograph in the conduit. The experimental variables are affluent initial discharge, the overture settings of the downstream discharge valves (both variables affect initial water level in the conduct) and the opening periods of the upstream valves. The data generated during the tests are video images (general camera and high-speed camera) and discharge records. A comprehensive analysis of the images led the identification of tree basic patterns of pipe filling. Pattern A – Filling without air entrapment in quasi-steady state: observed during tests with most favorable drainage conditions, resulting in lower initial water levels in the conduct, given an initial discharge. This pattern represents situations where the Guaíba River level is lower, allowing better drainage capacity. Pattern B – Filling with air entrapment in quasi-steady state: established considering drainage conditions a little bit more restrictives than in Pattern A, resulting in higher initial levels in the conduct for the same affluent discharges. Situations of higher levels in the Guaiba River may be associated with this pattern. Pattern C – Filling with air entrapment in unsteady state: established under the most adverse drainage conditions, resulting in higher initial water level even for very low initial affluent discharges. This pattern represents the most extreme conditions tested, whether in relation to the associated levels of the Guaiba River and in relation to the severity of the observed effects. Furthermore, numerous phenomena and hydraulic instabilities were observed: transition between free surface and pressurized flow, moving hydraulic jumps, entrapment of air pockets, oscillatory waves and translational waves. In general, the ACP model allows the study of the flow in a storm sewer system under unsteady state, considering its singularities: bends, horizontal and vertical contraction without alignment and direction changes with reduction of the cross section sharp angles.

Tendo em vista que as chaminés de equilíbrio são estruturas importantes na proteção dos circuitos hidráulicos das usinas hidrelétricas contra os fenômenos transientes que ocorrem rotineiramente durante sua operação, realizou-se uma investigação sobre a influência dos parâmetros físicos no desempenho e conseqüentemente no dimensionamento de chaminés de equilíbrio simples localizadas a jusante das turbinas, caso aplicado a Usina Hidrelétrica de Serra da Mesa. Os parâmetros estudados foram: área da chaminé, comprimento e área do túnel de fuga, perda de carga, vazão, nível no canal de fuga e tempo de manobra. Foram coletados dados na Usina Hidrelétrica de Serra da Mesa e em uma estrutura laboratorial existente no LAHE, ambas pertencentes a FURNAS Centrais Elétricas S.A, referentes a situações de regimes permanentes (operação normal) e de regimes transientes. Estes dados foram utilizados na determinação da perda de carga linear nos túneis e das características das oscilações em suas chaminés de equilíbrio. Para o estudo da perda de carga linear em túneis, também foram feitas medições, em regime permanente, na Usina Hidrelétrica de Salto Forqueta – CERTEL - Cooperativa de Eletrificação Teutônia, e utilizados os dados da Usina Hidrelétrica Bugres fornecidos pela CEEE – Companhia Estadual de Energia Elétrica –RS. Com estes dados foram estabelecidas relações entre o coeficiente de atrito e o número de Reynolds para cada estrutura e realizada a sua comparação com valores teóricos Verificou-se, através da comparação com dados experimentais que os quatro modelos numéricos disponíveis estavam aptos à aplicação na seqüência da pesquisa, porém, elegeu-se o modelo CHAMINE-IPH devido a sua maior versatilidade e simplicidade de uso. Com a análise dos resultados das simulações numéricas realizadas foi possível a identificação da influência dos parâmetros físicos no comportamento do nível d’água em chaminés de equilíbrio simples durante regimes transientes. Constatou-se que para a reprodução numérica de fenômenos transitórios em chaminés de equilíbrio a jusante das turbinas, é fundamental a consideração da oscilação do nível no canal de fuga e dos coeficientes de perda de carga adequados.

O conhecimento dos transientes hidráulicos em condutos sob pressão é de grande importância, uma vez que é geralmente nesses regimes que acontecem as pressões e velocidades extremas. Neste trabalho analisam-se os transientes que ocorrem em usinas hidrelétricas devido às manobras de operação nos grupos geradores (entrada ou saída de operação e aumento ou diminuição da potência gerada) e às rejeições de carga. Foi desenvolvido e verificado um modelo numérico para a simulação de transientes hidráulicos em circuitos de usinas hidrelétricas com configurações similares às da usina hidrelétrica (UHE) Serra da Mesa, implantada no rio Tocantins e pertencente a FURNAS Centrais Elétricas. O modelo desenvolvido foi verificado com dados teóricos tomados da bibliografia (Wylie et al.,1993 e Abreu et al.,1995), com dados obtidos numa estrutura de laboratório e na UHE Serra da Mesa. A estrutura existente no Laboratório de Hidráulica Experimental e Recursos Hídricos de FURNAS apresenta semelhança geométrica de 1:50 com a UHE Serra da Mesa. Os dados da UHE Serra da Mesa foram obtidos numa rejeição total de carga de três turbinas de 1180 MW, registrada em fevereiro de 1999, e numa rejeição total de carga de uma turbina de 350 MW, quando a usina se encontrava operando com duas unidades e gerando uma potência total de 643 MW, registrada em novembro de 2004. O modelo permite simular todas as possíveis manobras na usina como, por exemplo, a modelação de manobras independentes nas três turbinas. Foi concluído que, para se obter resultados corretos no sistema chaminé de equilíbrio-túnel de fuga, é importante considerar a variação do nível no canal de fuga, assim como determinar corretamente as perdas de carga no túnel de fuga. Da análise e da comparação dos resultados do modelo numérico com os dados obtidos na UHE Serra da Mesa, no modelo de laboratório e nos casos teóricos, verificou-se o bom desempenho do modelo no que se refere à boa reprodução das pressões, velocidades e níveis no circuito hidráulico, bem como a reprodução do comportamento das turbinas durante o transiente. / The knowledge of hydraulic transients in pressure pipes is of great importance, once that it’s generally in such regimes that occur extreme pressures and velocities. In this work, the occurring transients in power plants caused by turbine-generator groups operation (start or finish of generation and increase or decrease of the generated power) and by load rejections are analyzed. A numerical model was developed and verified for the simulation of hydraulic transients in hydroelectric power plant circuits with similar configurations to the Serra da Mesa hydroelectric power plant, implanted in Tocantins river, owned by “FURNAS Centrais Elétricas”. The developed model was verified by theoretical cases taken from the bibliography (Wylie et al., 1993 and Abreu et al., 1995), by data obtained in a laboratory structure and field data from the UHE Serra da Mesa. The scaled model, located at the “Laboratório de Hidráulica Experimental e Recursos Hídricos” of FURNAS, is a 1:50 ratio representation of the UHE Serra da Mesa. The data from the UHE Serra da Mesa were obtained in a total load rejection of 1180 MW (three turbines), registered in February 1999, and a total load rejection of 350 MW (one turbine), at which time the plant was operating with two units and generating a total power of 643 MW, registered in November 2004. The model allows the simulation of all possible plant maneuvers, for example, independent maneuver of all three turbines simulation. It was concluded that to obtain the correct results in the system surge tank - outlet tunnel, it is important to consider the variation of the outlet canal level and to determine correctly the charge losses in the outlet tunnel. Analyzing and comparing the results of the numerical model with the data of Serra da Mesa hydropower plant, with the data of the laboratory model and with the theoretical cases, it was verified the good performance of the model, referred to the good reproduction of pressures, velocities and levels in the hydraulic circuit and it was also verified the good reproduction of the turbines data during the transient.

O conhecimento dos transientes hidráulicos em condutos sob pressão é de grande importância, uma vez que é geralmente nesses regimes que acontecem as pressões e velocidades extremas. Neste trabalho analisam-se os transientes que ocorrem em usinas hidrelétricas devido às manobras de operação nos grupos geradores (entrada ou saída de operação e aumento ou diminuição da potência gerada) e às rejeições de carga. Foi desenvolvido e verificado um modelo numérico para a simulação de transientes hidráulicos em circuitos de usinas hidrelétricas com configurações similares às da usina hidrelétrica (UHE) Serra da Mesa, implantada no rio Tocantins e pertencente a FURNAS Centrais Elétricas. O modelo desenvolvido foi verificado com dados teóricos tomados da bibliografia (Wylie et al.,1993 e Abreu et al.,1995), com dados obtidos numa estrutura de laboratório e na UHE Serra da Mesa. A estrutura existente no Laboratório de Hidráulica Experimental e Recursos Hídricos de FURNAS apresenta semelhança geométrica de 1:50 com a UHE Serra da Mesa. Os dados da UHE Serra da Mesa foram obtidos numa rejeição total de carga de três turbinas de 1180 MW, registrada em fevereiro de 1999, e numa rejeição total de carga de uma turbina de 350 MW, quando a usina se encontrava operando com duas unidades e gerando uma potência total de 643 MW, registrada em novembro de 2004. O modelo permite simular todas as possíveis manobras na usina como, por exemplo, a modelação de manobras independentes nas três turbinas. Foi concluído que, para se obter resultados corretos no sistema chaminé de equilíbrio-túnel de fuga, é importante considerar a variação do nível no canal de fuga, assim como determinar corretamente as perdas de carga no túnel de fuga. Da análise e da comparação dos resultados do modelo numérico com os dados obtidos na UHE Serra da Mesa, no modelo de laboratório e nos casos teóricos, verificou-se o bom desempenho do modelo no que se refere à boa reprodução das pressões, velocidades e níveis no circuito hidráulico, bem como a reprodução do comportamento das turbinas durante o transiente. / The knowledge of hydraulic transients in pressure pipes is of great importance, once that it’s generally in such regimes that occur extreme pressures and velocities. In this work, the occurring transients in power plants caused by turbine-generator groups operation (start or finish of generation and increase or decrease of the generated power) and by load rejections are analyzed. A numerical model was developed and verified for the simulation of hydraulic transients in hydroelectric power plant circuits with similar configurations to the Serra da Mesa hydroelectric power plant, implanted in Tocantins river, owned by “FURNAS Centrais Elétricas”. The developed model was verified by theoretical cases taken from the bibliography (Wylie et al., 1993 and Abreu et al., 1995), by data obtained in a laboratory structure and field data from the UHE Serra da Mesa. The scaled model, located at the “Laboratório de Hidráulica Experimental e Recursos Hídricos” of FURNAS, is a 1:50 ratio representation of the UHE Serra da Mesa. The data from the UHE Serra da Mesa were obtained in a total load rejection of 1180 MW (three turbines), registered in February 1999, and a total load rejection of 350 MW (one turbine), at which time the plant was operating with two units and generating a total power of 643 MW, registered in November 2004. The model allows the simulation of all possible plant maneuvers, for example, independent maneuver of all three turbines simulation. It was concluded that to obtain the correct results in the system surge tank - outlet tunnel, it is important to consider the variation of the outlet canal level and to determine correctly the charge losses in the outlet tunnel. Analyzing and comparing the results of the numerical model with the data of Serra da Mesa hydropower plant, with the data of the laboratory model and with the theoretical cases, it was verified the good performance of the model, referred to the good reproduction of pressures, velocities and levels in the hydraulic circuit and it was also verified the good reproduction of the turbines data during the transient.

Tendo em vista que as chaminés de equilíbrio são estruturas importantes na proteção dos circuitos hidráulicos das usinas hidrelétricas contra os fenômenos transientes que ocorrem rotineiramente durante sua operação, realizou-se uma investigação sobre a influência dos parâmetros físicos no desempenho e conseqüentemente no dimensionamento de chaminés de equilíbrio simples localizadas a jusante das turbinas, caso aplicado a Usina Hidrelétrica de Serra da Mesa. Os parâmetros estudados foram: área da chaminé, comprimento e área do túnel de fuga, perda de carga, vazão, nível no canal de fuga e tempo de manobra. Foram coletados dados na Usina Hidrelétrica de Serra da Mesa e em uma estrutura laboratorial existente no LAHE, ambas pertencentes a FURNAS Centrais Elétricas S.A, referentes a situações de regimes permanentes (operação normal) e de regimes transientes. Estes dados foram utilizados na determinação da perda de carga linear nos túneis e das características das oscilações em suas chaminés de equilíbrio. Para o estudo da perda de carga linear em túneis, também foram feitas medições, em regime permanente, na Usina Hidrelétrica de Salto Forqueta – CERTEL - Cooperativa de Eletrificação Teutônia, e utilizados os dados da Usina Hidrelétrica Bugres fornecidos pela CEEE – Companhia Estadual de Energia Elétrica –RS. Com estes dados foram estabelecidas relações entre o coeficiente de atrito e o número de Reynolds para cada estrutura e realizada a sua comparação com valores teóricos Verificou-se, através da comparação com dados experimentais que os quatro modelos numéricos disponíveis estavam aptos à aplicação na seqüência da pesquisa, porém, elegeu-se o modelo CHAMINE-IPH devido a sua maior versatilidade e simplicidade de uso. Com a análise dos resultados das simulações numéricas realizadas foi possível a identificação da influência dos parâmetros físicos no comportamento do nível d’água em chaminés de equilíbrio simples durante regimes transientes. Constatou-se que para a reprodução numérica de fenômenos transitórios em chaminés de equilíbrio a jusante das turbinas, é fundamental a consideração da oscilação do nível no canal de fuga e dos coeficientes de perda de carga adequados.