Este estudo visa a caracterização dos escoamentos deslizantes sobre turbilhões em vertedouros em degraus com declividade de 45° (1V:1H) através da análise experimental em modelos físicos. Foram avaliadas quatro estruturas, sendo uma com calha lisa, utilizada como estrutura de controle, e três com calhas em degraus de alturas constantes iguais a 3 cm, 6 cm e 9 cm. As medições dos níveis médios da água, das velocidades médias na região não aerada do escoamento, das pressões médias nos degraus e a visualização da aeração do escoamento permitiram o estabelecimento de parâmetros qualitativos e quantitativos do escoamento. Assim, foram determinados: (1) os perfis de velocidade média ao longo da calha, (2) o fator de resistência proporcionado pelos degraus, (3) a posição média de início de aeração, (4) a dissipação de energia devida à rugosidade da calha e (5) o comportamento das pressões médias na face e no espelho dos degraus. Tendo em vista a escassa bibliografia relativa à declividade de 45°, buscou-se a comparação com os dados de diferentes declividades procurando estabelecer critérios mais abrangentes.

Este trabalho engloba a análise experimental em laboratório de vertedouros com calha em degraus de declividade 1 Vertical : 0,75 Horizontal (53,13°). Foram utilizados quatro modelos de estruturas vertedouras, três com calhas em degraus (com três diferentes alturas de degraus, 3 cm, 6 cm e 9 cm) e uma com calha lisa, utilizada como estrutura de controle. Ao longo das calhas dos vertedouros foram realizadas medições de níveis, pressões, velocidades e visualização do início da aeração. Através destes ensaios foi possível determinar a posição de início da aeração do escoamento, os perfis de velocidades ao longo da calha, o fator de resistência resultante dos degraus, a dissipação de energia em relação à energia a montante e em relação a um vertedouro de calha lisa e o comportamento das pressões médias. Constatou-se que o aumento do tamanho dos degraus na calha conduz o início da aeração para posições mais próximas da crista do vertedouro. Observou-se que a dissipação de energia é tanto mais significativa quanto menor a vazão específica e maior as dimensões dos degraus, sendo fortemente influenciada pela aeração ou não do escoamento. Analisando os resultados do presente estudo em conjunto com dados da bibliografia existente foi possível a proposição de metodologias para a avaliação da posição do início da aeração do escoamento, da profundidade deste neste ponto e para a determinação do fator de resistência criado pelos degraus.

Este estudo visa a caracterização dos escoamentos deslizantes sobre turbilhões em vertedouros em degraus com declividade de 45° (1V:1H) através da análise experimental em modelos físicos. Foram avaliadas quatro estruturas, sendo uma com calha lisa, utilizada como estrutura de controle, e três com calhas em degraus de alturas constantes iguais a 3 cm, 6 cm e 9 cm. As medições dos níveis médios da água, das velocidades médias na região não aerada do escoamento, das pressões médias nos degraus e a visualização da aeração do escoamento permitiram o estabelecimento de parâmetros qualitativos e quantitativos do escoamento. Assim, foram determinados: (1) os perfis de velocidade média ao longo da calha, (2) o fator de resistência proporcionado pelos degraus, (3) a posição média de início de aeração, (4) a dissipação de energia devida à rugosidade da calha e (5) o comportamento das pressões médias na face e no espelho dos degraus. Tendo em vista a escassa bibliografia relativa à declividade de 45°, buscou-se a comparação com os dados de diferentes declividades procurando estabelecer critérios mais abrangentes.

Este trabalho engloba a análise experimental em laboratório de vertedouros com calha em degraus de declividade 1 Vertical : 0,75 Horizontal (53,13°). Foram utilizados quatro modelos de estruturas vertedouras, três com calhas em degraus (com três diferentes alturas de degraus, 3 cm, 6 cm e 9 cm) e uma com calha lisa, utilizada como estrutura de controle. Ao longo das calhas dos vertedouros foram realizadas medições de níveis, pressões, velocidades e visualização do início da aeração. Através destes ensaios foi possível determinar a posição de início da aeração do escoamento, os perfis de velocidades ao longo da calha, o fator de resistência resultante dos degraus, a dissipação de energia em relação à energia a montante e em relação a um vertedouro de calha lisa e o comportamento das pressões médias. Constatou-se que o aumento do tamanho dos degraus na calha conduz o início da aeração para posições mais próximas da crista do vertedouro. Observou-se que a dissipação de energia é tanto mais significativa quanto menor a vazão específica e maior as dimensões dos degraus, sendo fortemente influenciada pela aeração ou não do escoamento. Analisando os resultados do presente estudo em conjunto com dados da bibliografia existente foi possível a proposição de metodologias para a avaliação da posição do início da aeração do escoamento, da profundidade deste neste ponto e para a determinação do fator de resistência criado pelos degraus.

Este estudo visa a caracterização dos escoamentos deslizantes sobre turbilhões em vertedouros em degraus com declividade de 45° (1V:1H) através da análise experimental em modelos físicos. Foram avaliadas quatro estruturas, sendo uma com calha lisa, utilizada como estrutura de controle, e três com calhas em degraus de alturas constantes iguais a 3 cm, 6 cm e 9 cm. As medições dos níveis médios da água, das velocidades médias na região não aerada do escoamento, das pressões médias nos degraus e a visualização da aeração do escoamento permitiram o estabelecimento de parâmetros qualitativos e quantitativos do escoamento. Assim, foram determinados: (1) os perfis de velocidade média ao longo da calha, (2) o fator de resistência proporcionado pelos degraus, (3) a posição média de início de aeração, (4) a dissipação de energia devida à rugosidade da calha e (5) o comportamento das pressões médias na face e no espelho dos degraus. Tendo em vista a escassa bibliografia relativa à declividade de 45°, buscou-se a comparação com os dados de diferentes declividades procurando estabelecer critérios mais abrangentes.

Este trabalho engloba a análise experimental em laboratório de vertedouros com calha em degraus de declividade 1 Vertical : 0,75 Horizontal (53,13°). Foram utilizados quatro modelos de estruturas vertedouras, três com calhas em degraus (com três diferentes alturas de degraus, 3 cm, 6 cm e 9 cm) e uma com calha lisa, utilizada como estrutura de controle. Ao longo das calhas dos vertedouros foram realizadas medições de níveis, pressões, velocidades e visualização do início da aeração. Através destes ensaios foi possível determinar a posição de início da aeração do escoamento, os perfis de velocidades ao longo da calha, o fator de resistência resultante dos degraus, a dissipação de energia em relação à energia a montante e em relação a um vertedouro de calha lisa e o comportamento das pressões médias. Constatou-se que o aumento do tamanho dos degraus na calha conduz o início da aeração para posições mais próximas da crista do vertedouro. Observou-se que a dissipação de energia é tanto mais significativa quanto menor a vazão específica e maior as dimensões dos degraus, sendo fortemente influenciada pela aeração ou não do escoamento. Analisando os resultados do presente estudo em conjunto com dados da bibliografia existente foi possível a proposição de metodologias para a avaliação da posição do início da aeração do escoamento, da profundidade deste neste ponto e para a determinação do fator de resistência criado pelos degraus.

Os vertedouros são responsáveis pela segurança das barragens, permitindo a passagem das cheias evitando danos à barragem. A utilização de um sistema extravasor composto por vertedouro em degraus seguido de bacia de dissipação por ressalto hidráulico permite que parte significativa da energia de montante seja dissipada durante a passagem do escoamento pela calha em degraus, sendo que a energia restante é dissipada pelo ressalto hidráulico formado na bacia a jusante. A dissipação da energia ao longo da calha permite a redução do comprimento do ressalto se comparado ao mesmo fenômeno formado a jusante de uma calha lisa, e, assim, as dimensões e custos da bacia podem ser otimizados. Por ser um fenômeno turbulento, o ressalto hidráulico pode causar danos na estrutura da barragem por meio de erosão, cavitação, entre outros. Na bibliografia, podem ser encontrados diversos estudos sobre vertedouros convencionais (com calha lisa) seguido de bacia de dissipação, porém são raros os trabalhos que tratam sobre o ressalto hidráulico a jusante de estruturas escalonadas. O presente trabalho tem por objetivo caracterizar as pressões atuantes em um ressalto formado a jusante de um vertedouro em degraus de forma a fornecer informações que auxiliem no dimensionamento dessas estruturas. Para a caracterização dos esforços, foram realizados ensaios em um modelo físico, instalado no Laboratório de Obras Hidráulicas (IPH – UFRGS), composto por uma bacia de dissipação a jusante de uma calha em degraus. Os ensaios foram realizados com ressalto hidráulico livre formado a jusante do vertedouro em degraus com números de Froude na entrada do ressalto entre 5,9 e 7,5. Foram analisados dados de pressões médias, flutuações de pressão, assimetria, curtose, pressões extremas e coeficiente estatístico de probabilidade (N%). Os resultados obtidos foram comparados aos resultados de autores que estudaram ressalto a jusante de calha lisa, de forma a verificar a semelhança entre os fenômenos. A partir das análises realizadas, concluiu-se que o ressalto hidráulico formado a jusante de um vertedouro em degraus, em sua maior parte, apresenta um comportamento semelhante ao mesmo fenômeno a jusante de uma calha lisa, dependendo mais das condições na entrada do ressalto hidráulico (energia residual) do que da forma que o escoamento se desenvolveu até a entrada da bacia. No entanto detectou-se uma diferença significativa nas posições mais próximas do pé do vertedouro. Esse fato pode ser explicado devido à ausência de uma curva de concordância entre calha em degraus e bacia no modelo estudado nesta pesquisa e existência no modelo utilizado pelos autores cujos dados foram comparados. / Spillways are responsible for the safety of the dams, allowing flood passage and avoiding damages. The use of an overflow system compounded by a stepped spillway followed by a hydraulic jump stilling basin allows the dissipation of a significant amount of the upstream energy during the flow through the stepped chute. The remaining energy is dissipated by the hydraulic jump formed within the downstream stilling basin. The energy dissipation along the chute allows the reduction of the hydraulic jump length if compared to the same phenomenon formed downstream of a smooth chute, therefore the stilling basin dimensions and costs can be optimized. As the hydraulic jump is a turbulent phenomenon, it may cause damage to the dam structure through erosion, cavitation, among others. Several studies on the conventional spillways (smooth chute) followed by stilling basin can be found in the literature, but papers on hydraulic jumps downstream of stepped chutes are rare. This study aims to characterize the pressures acting on a hydraulic jump formed downstream of a stepped spillway in order to supply data to assist the design of these structures. In the interest to characterizing the pressures, simulations were performed in a physical model installed at the “Laboratório de Obras Hidráulicas” (IPH – UFRGS), which is compound by a stilling basin downstream a stepped chute. The simulations were performed with a free hydraulic jump formed downstream of a stepped spillway and with Froude numbers referring to the hydraulic jump’s starting point ranging from 5.98 to 7.44. The data analyzed concerned mean pressure, pressure fluctuation, asymmetry, kurtosis, extreme pressures and statistical coefficient of probability (N%). The results obtained in this study were compared to the results of researches concerning smooth chutes in order to verify the similarities between the phenomena. Taking into account the analysis conducted, it was possible to conclude that the hydraulic jump formed downstream of a stepped spillway, for the most part, has a similar behavior to the phenomenon related to the smooth chute, depending more on the conditions of the hydraulic jump’s starting point (residual energy) than how the flow developed up to the entrance of the basin. However, a significant difference was detected in the positions nearest to the spillway foot. This fact can be explained by the non-existence of a transition curve between the stepped chute and the stilling basin in the physical model studied in this paper and the existence of it in the physical models utilized by the authors whose data were compared to the ones in found in this study.

Os vertedouros são responsáveis pela segurança das barragens, permitindo a passagem das cheias evitando danos à barragem. A utilização de um sistema extravasor composto por vertedouro em degraus seguido de bacia de dissipação por ressalto hidráulico permite que parte significativa da energia de montante seja dissipada durante a passagem do escoamento pela calha em degraus, sendo que a energia restante é dissipada pelo ressalto hidráulico formado na bacia a jusante. A dissipação da energia ao longo da calha permite a redução do comprimento do ressalto se comparado ao mesmo fenômeno formado a jusante de uma calha lisa, e, assim, as dimensões e custos da bacia podem ser otimizados. Por ser um fenômeno turbulento, o ressalto hidráulico pode causar danos na estrutura da barragem por meio de erosão, cavitação, entre outros. Na bibliografia, podem ser encontrados diversos estudos sobre vertedouros convencionais (com calha lisa) seguido de bacia de dissipação, porém são raros os trabalhos que tratam sobre o ressalto hidráulico a jusante de estruturas escalonadas. O presente trabalho tem por objetivo caracterizar as pressões atuantes em um ressalto formado a jusante de um vertedouro em degraus de forma a fornecer informações que auxiliem no dimensionamento dessas estruturas. Para a caracterização dos esforços, foram realizados ensaios em um modelo físico, instalado no Laboratório de Obras Hidráulicas (IPH – UFRGS), composto por uma bacia de dissipação a jusante de uma calha em degraus. Os ensaios foram realizados com ressalto hidráulico livre formado a jusante do vertedouro em degraus com números de Froude na entrada do ressalto entre 5,9 e 7,5. Foram analisados dados de pressões médias, flutuações de pressão, assimetria, curtose, pressões extremas e coeficiente estatístico de probabilidade (N%). Os resultados obtidos foram comparados aos resultados de autores que estudaram ressalto a jusante de calha lisa, de forma a verificar a semelhança entre os fenômenos. A partir das análises realizadas, concluiu-se que o ressalto hidráulico formado a jusante de um vertedouro em degraus, em sua maior parte, apresenta um comportamento semelhante ao mesmo fenômeno a jusante de uma calha lisa, dependendo mais das condições na entrada do ressalto hidráulico (energia residual) do que da forma que o escoamento se desenvolveu até a entrada da bacia. No entanto detectou-se uma diferença significativa nas posições mais próximas do pé do vertedouro. Esse fato pode ser explicado devido à ausência de uma curva de concordância entre calha em degraus e bacia no modelo estudado nesta pesquisa e existência no modelo utilizado pelos autores cujos dados foram comparados. / Spillways are responsible for the safety of the dams, allowing flood passage and avoiding damages. The use of an overflow system compounded by a stepped spillway followed by a hydraulic jump stilling basin allows the dissipation of a significant amount of the upstream energy during the flow through the stepped chute. The remaining energy is dissipated by the hydraulic jump formed within the downstream stilling basin. The energy dissipation along the chute allows the reduction of the hydraulic jump length if compared to the same phenomenon formed downstream of a smooth chute, therefore the stilling basin dimensions and costs can be optimized. As the hydraulic jump is a turbulent phenomenon, it may cause damage to the dam structure through erosion, cavitation, among others. Several studies on the conventional spillways (smooth chute) followed by stilling basin can be found in the literature, but papers on hydraulic jumps downstream of stepped chutes are rare. This study aims to characterize the pressures acting on a hydraulic jump formed downstream of a stepped spillway in order to supply data to assist the design of these structures. In the interest to characterizing the pressures, simulations were performed in a physical model installed at the “Laboratório de Obras Hidráulicas” (IPH – UFRGS), which is compound by a stilling basin downstream a stepped chute. The simulations were performed with a free hydraulic jump formed downstream of a stepped spillway and with Froude numbers referring to the hydraulic jump’s starting point ranging from 5.98 to 7.44. The data analyzed concerned mean pressure, pressure fluctuation, asymmetry, kurtosis, extreme pressures and statistical coefficient of probability (N%). The results obtained in this study were compared to the results of researches concerning smooth chutes in order to verify the similarities between the phenomena. Taking into account the analysis conducted, it was possible to conclude that the hydraulic jump formed downstream of a stepped spillway, for the most part, has a similar behavior to the phenomenon related to the smooth chute, depending more on the conditions of the hydraulic jump’s starting point (residual energy) than how the flow developed up to the entrance of the basin. However, a significant difference was detected in the positions nearest to the spillway foot. This fact can be explained by the non-existence of a transition curve between the stepped chute and the stilling basin in the physical model studied in this paper and the existence of it in the physical models utilized by the authors whose data were compared to the ones in found in this study.

Os vertedouros são responsáveis pela segurança das barragens, permitindo a passagem das cheias evitando danos à barragem. A utilização de um sistema extravasor composto por vertedouro em degraus seguido de bacia de dissipação por ressalto hidráulico permite que parte significativa da energia de montante seja dissipada durante a passagem do escoamento pela calha em degraus, sendo que a energia restante é dissipada pelo ressalto hidráulico formado na bacia a jusante. A dissipação da energia ao longo da calha permite a redução do comprimento do ressalto se comparado ao mesmo fenômeno formado a jusante de uma calha lisa, e, assim, as dimensões e custos da bacia podem ser otimizados. Por ser um fenômeno turbulento, o ressalto hidráulico pode causar danos na estrutura da barragem por meio de erosão, cavitação, entre outros. Na bibliografia, podem ser encontrados diversos estudos sobre vertedouros convencionais (com calha lisa) seguido de bacia de dissipação, porém são raros os trabalhos que tratam sobre o ressalto hidráulico a jusante de estruturas escalonadas. O presente trabalho tem por objetivo caracterizar as pressões atuantes em um ressalto formado a jusante de um vertedouro em degraus de forma a fornecer informações que auxiliem no dimensionamento dessas estruturas. Para a caracterização dos esforços, foram realizados ensaios em um modelo físico, instalado no Laboratório de Obras Hidráulicas (IPH – UFRGS), composto por uma bacia de dissipação a jusante de uma calha em degraus. Os ensaios foram realizados com ressalto hidráulico livre formado a jusante do vertedouro em degraus com números de Froude na entrada do ressalto entre 5,9 e 7,5. Foram analisados dados de pressões médias, flutuações de pressão, assimetria, curtose, pressões extremas e coeficiente estatístico de probabilidade (N%). Os resultados obtidos foram comparados aos resultados de autores que estudaram ressalto a jusante de calha lisa, de forma a verificar a semelhança entre os fenômenos. A partir das análises realizadas, concluiu-se que o ressalto hidráulico formado a jusante de um vertedouro em degraus, em sua maior parte, apresenta um comportamento semelhante ao mesmo fenômeno a jusante de uma calha lisa, dependendo mais das condições na entrada do ressalto hidráulico (energia residual) do que da forma que o escoamento se desenvolveu até a entrada da bacia. No entanto detectou-se uma diferença significativa nas posições mais próximas do pé do vertedouro. Esse fato pode ser explicado devido à ausência de uma curva de concordância entre calha em degraus e bacia no modelo estudado nesta pesquisa e existência no modelo utilizado pelos autores cujos dados foram comparados. / Spillways are responsible for the safety of the dams, allowing flood passage and avoiding damages. The use of an overflow system compounded by a stepped spillway followed by a hydraulic jump stilling basin allows the dissipation of a significant amount of the upstream energy during the flow through the stepped chute. The remaining energy is dissipated by the hydraulic jump formed within the downstream stilling basin. The energy dissipation along the chute allows the reduction of the hydraulic jump length if compared to the same phenomenon formed downstream of a smooth chute, therefore the stilling basin dimensions and costs can be optimized. As the hydraulic jump is a turbulent phenomenon, it may cause damage to the dam structure through erosion, cavitation, among others. Several studies on the conventional spillways (smooth chute) followed by stilling basin can be found in the literature, but papers on hydraulic jumps downstream of stepped chutes are rare. This study aims to characterize the pressures acting on a hydraulic jump formed downstream of a stepped spillway in order to supply data to assist the design of these structures. In the interest to characterizing the pressures, simulations were performed in a physical model installed at the “Laboratório de Obras Hidráulicas” (IPH – UFRGS), which is compound by a stilling basin downstream a stepped chute. The simulations were performed with a free hydraulic jump formed downstream of a stepped spillway and with Froude numbers referring to the hydraulic jump’s starting point ranging from 5.98 to 7.44. The data analyzed concerned mean pressure, pressure fluctuation, asymmetry, kurtosis, extreme pressures and statistical coefficient of probability (N%). The results obtained in this study were compared to the results of researches concerning smooth chutes in order to verify the similarities between the phenomena. Taking into account the analysis conducted, it was possible to conclude that the hydraulic jump formed downstream of a stepped spillway, for the most part, has a similar behavior to the phenomenon related to the smooth chute, depending more on the conditions of the hydraulic jump’s starting point (residual energy) than how the flow developed up to the entrance of the basin. However, a significant difference was detected in the positions nearest to the spillway foot. This fact can be explained by the non-existence of a transition curve between the stepped chute and the stilling basin in the physical model studied in this paper and the existence of it in the physical models utilized by the authors whose data were compared to the ones in found in this study.

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.