A caracterização das ações hidrodinâmicas que ocorrem em estruturas de dissipação de energia é motivo de preocupação para muitos engenheiros ligados ao projeto de barragens. Tal preocupação resulta da necessidade de, durante a ocorrência de cheias, assegurar a estabilidade dos elementos estruturais dos órgãos de dissipação de energia face às intensas fiutuações de pressão ocasionadas pelos escoamentos turbulentos. Por isso, um método para estimativa dos valores extremos de pressão é de muita utilidade para os profissionais que atuam no dimensionamento das estruturas de dissipação de energia hidráulica. Desta forma, este trabalho consiste no ajuste da distribuição generalizada de valores extremos (GEV) e da distribuição generalizada de Pareto (GPD) aos dados de pressão instantânea registrados no protótipo do dissipador de energia por ressalto hidráulico da Usina Hidrelétrica (UHE) de Porto Colômbia, pertencentes a Fumas Centrais Elétricas. A qualidade do ajuste da GEV e da GPD foram avaliadas graficamente através dos gráficos PP-Plot e QQ-Plot e pela aplicação dos testes de Kolmogorov-Smirnov e de Cramér-von Mises, respectivamente. Os resultados obtidos indicam que a GEV é adequada para estudar as pressões máximas e mínimas para todas as vazões, enquanto, a GPD não descreveu de modo satisfatório o conjunto de valores excedentes formados, aproximadamente, por 1% e 2% do total de observações consideradas para análise. Os valores estimados de pressão, pelo ajuste da GEV aos dados, foram comparados com os valores medidos no protótipo da bacia de dissipação da UHE de Porto Colômbia e com os valores calculados segundo o método proposto por Wiest (2008) que considera a determinação do coeficiente estatístico de probabilidade. Quando a comparação é realizada com os valores medidos, os melhores resultados foram obtidos para as tomadas localizadas no trecho em curva para probabilidades inferiores a 10% e para as duas últimas tomadas da parte plana da bacia de dissipação para o intervalo de 1% a 99,9% de ocorrência, com erros relativos, em ambos os casos, inferiores a 10%. No entanto, para as tomadas localizadas na zona de maior fiutuação de pressão e para probabilidades de ocorrência inferiores a 80%, 90%, 95%, 99% e 99,9%, em média, o valor absoluto do erro relativo foi próximo a 20%. Quando comparamos as estimativas obtidas pelo ajuste da GEV e do método desenvolvido por Wiest (2008) evidenciamos que os melhores resultados obtidos pela GEV continuam sendo para as tomadas do trecho em curva. No entanto, em geral, o método proposto por Wiest (2008) apresenta melhores resultados nas estimativas para os valores de pressão para a quarta e quinta tomadas para as probabilidades de ocorrência no intervalo de 80% a 99,9%. Para as duas últimas tomadas, não foram caracterizadas diferenças expressivas entre os dois métodos para as diferentes probabilidades de ocorrência e os resultados foram entendidos como satisfatórios, pois, em média, o valor absoluto do erro relativo obtido é inferior a 6%. Cabe ressaltar, que 90% das estimativas obtidas para os valores de pressão pelo ajuste da GEV aos dados são a favor da segurança. / The characterization of hydrodynamic actions that occur in energy dissipation structures concerns many engineers who work with dams. Such concern is due ensure to the need to e the stability of structural elements for energy dissipation in the face of intense pressure fluctuations caused by turbulence during high discharge. A method for estimating extreme values of pressure therefore is necessary for professionals working in the dimensioning of hydraulic energy dissipation structures. This work therefore explores the use of the generalized extreme values distribution (GEV) and the generalized Pareto distribution (GPD) to instantaneous pressure data recorded in the energy dissipator prototype by hydraulic jump at the Hydroelectric Power Station (HPS) from Porto Colombia, which belongs to Furnas Centrais Elétricas. The goodness of fit of the GEV and the GPD were graphically evaluated through PP-Plot and QQ-Plot graphics and by the appliance of Kolmogorov-Smirnov and Cramér-von Mises tests, respectively. The results indicate that GEV is appropriate for studying maximum and minimum pressures for all outflows, while GPD did not describe satisfactorily the characteristics of exceedances which were, approximately, 1% and 2% of the total observations considered for analysis. The estimates of pressure, obtained by fitting GEV to the data, were compared with measured values in the dissipation basin prototype at the HPS from Porto Colombia, and with values calculated according to the method proposed by Wiest (2008), which considers the determination of the probability statistical coefficient. When compared with the measured values, best results were obtained for measurements points located at points with high curvature and for probabilities under 10%, and to the two last measurement points on the flat part of the dissipation basin for the interval from 1% to 99,9% of occurrence, with relative errors, in both cases, under 10%. However, for the measurement points located in the higher fluctuation zone of pressure, and for probabilities of occurrence under 80%, 90%, 95%, 99% and 99,9% on average, the absolute value of the relative error was about 20%. The estimates obtained by fitting GEV compared with the method developed by Wiest (2008) show that the best results obtained by GEV are for measurement points where curvature in the structure is high. Nevertheless, in general, the method proposed by Wiest (2008) presents better results in the estimates of the values of pressure for the fourth and the fifth measurement points and for to the probabilities of occurrence in the range 80% to 99,9%. For the last two measurement points, no marked differences were form the two methods for the different probabilities of occurrence, and the results are regarded as satisfactary, as on average the absolute value of the relative errar was lower than 6%. It is important to stress that 90% of the estimates obtained to the pressure values by GEV adjust to the data in on the side of safety.

Recentes terremotos e furacões mostraram quão vulneráveis são as estruturas às forças da natureza. Ainda em países desenvolvidos, existe alto risco a desastres naturais. Portanto, um dos principais desafios da Engenharia é a prevenção de desastres mediante o desenvolvimento de conceitos inovadores de projeto, para proteger eficientemente as estruturas, seus moradores e o conteúdo, dos efeitos destrutivos das forças ambientais. O tradicional procedimento de projeto de construções para prevenir falhas catastróficas é baseado na combinação de resistência e capacidade de deformação (ductilidade). Solicitações de baixos níveis provocadas por ventos ou sismos são freqüentemente idealizados com cargas laterais que devem ser resistidas só pela ação elástica da estrutura, enquanto que, em eventos moderados ou severos permite-se certos níveis de dano estrutural e não estrutural, mas não, colapso da mesma. Esta filosofia proporcionou a base da maioria dos códigos de construção (fundados em métodos estáticos equivalentes) desde princípios do século, com resultados satisfatórios. No entanto, a partir do estudo das características dinâmicas das estruturas surgem novos e diversos conceitos de proteção dos sistemas estruturais que tem sido desenvolvidos e ainda estão em expansão, entre os quais pode-se citar a dissipação de energia externa. Esta nova tecnologia consiste em incorporar na estrutura, elementos projetados especificamente para dissipar energia. Com isto, logra-se reduzir as deformações nos membros estruturais primários e portanto, diminui-se a demandada de ductilidade e o possível dano estrutural, garantindo uma maior segurança e vida útil da estrutura Graças a recentes esforços e ao particular interesse da comunidade científica internacional, estudos teóricos e experimentais têm sido desenvolvidos durante a última década com resultados surpreendentes. Hoje já existem sistemas de dissipação de energia aplicados com sucesso em países como Estados Unidos, Itália, Nova Zelândia, Japão e México. Recentemente este campo está-se estendendo na América do Sul. Dentro deste contexto, considerando o beneficio econômico e o melhor desempenho estrutural que implica a incorporação desta nova tecnologia, no presente trabalho abordou-se o estudo deste tipo de sistemas de proteção estrutural orientado ao uso de amortecedores metálicos. O trabalho dividiu-se em três partes principais: a) Projetar e construir um amortecedor metálico que usa as excelentes propriedades do chumbo para dissipar energia. b) Desenvolvimento de metodologias de análise e projeto de estruturas que incorporam amortecimento suplementar a fim de melhorar o seu desempenho estrutural. c) Avaliação da eficiência de sistemas externos de dissipação de energia em estruturas. A primeira parte consistiu em projetar e construir um amortecedor metálico para logo submetê-lo a numerosos testes com diferentes níveis de amplitude de deslocamento e freqüência a fim de avaliar suas propriedades mecânicas e desempenho. Os resultados são considerados altamente satisfatórios. Na segunda parte foram desenvolvidas ferramentas computacionais para pesquisa e docência na área da mecânica estrutural mediante as quais é possível simular o comportamento linear e não linear de estruturas que incorporam amortecimento suplementar Finalmente, apresenta-se um procedimento robusto para avaliar a eficiência dos sistemas dissipadores de energia baseado numa análise da confiabilidade estrutural. Através de vários exemplos com estruturas reais e teóricas se atingem os objetivos traçados no presente trabalho.

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.

Recentes terremotos e furacões mostraram quão vulneráveis são as estruturas às forças da natureza. Ainda em países desenvolvidos, existe alto risco a desastres naturais. Portanto, um dos principais desafios da Engenharia é a prevenção de desastres mediante o desenvolvimento de conceitos inovadores de projeto, para proteger eficientemente as estruturas, seus moradores e o conteúdo, dos efeitos destrutivos das forças ambientais. O tradicional procedimento de projeto de construções para prevenir falhas catastróficas é baseado na combinação de resistência e capacidade de deformação (ductilidade). Solicitações de baixos níveis provocadas por ventos ou sismos são freqüentemente idealizados com cargas laterais que devem ser resistidas só pela ação elástica da estrutura, enquanto que, em eventos moderados ou severos permite-se certos níveis de dano estrutural e não estrutural, mas não, colapso da mesma. Esta filosofia proporcionou a base da maioria dos códigos de construção (fundados em métodos estáticos equivalentes) desde princípios do século, com resultados satisfatórios. No entanto, a partir do estudo das características dinâmicas das estruturas surgem novos e diversos conceitos de proteção dos sistemas estruturais que tem sido desenvolvidos e ainda estão em expansão, entre os quais pode-se citar a dissipação de energia externa. Esta nova tecnologia consiste em incorporar na estrutura, elementos projetados especificamente para dissipar energia. Com isto, logra-se reduzir as deformações nos membros estruturais primários e portanto, diminui-se a demandada de ductilidade e o possível dano estrutural, garantindo uma maior segurança e vida útil da estrutura Graças a recentes esforços e ao particular interesse da comunidade científica internacional, estudos teóricos e experimentais têm sido desenvolvidos durante a última década com resultados surpreendentes. Hoje já existem sistemas de dissipação de energia aplicados com sucesso em países como Estados Unidos, Itália, Nova Zelândia, Japão e México. Recentemente este campo está-se estendendo na América do Sul. Dentro deste contexto, considerando o beneficio econômico e o melhor desempenho estrutural que implica a incorporação desta nova tecnologia, no presente trabalho abordou-se o estudo deste tipo de sistemas de proteção estrutural orientado ao uso de amortecedores metálicos. O trabalho dividiu-se em três partes principais: a) Projetar e construir um amortecedor metálico que usa as excelentes propriedades do chumbo para dissipar energia. b) Desenvolvimento de metodologias de análise e projeto de estruturas que incorporam amortecimento suplementar a fim de melhorar o seu desempenho estrutural. c) Avaliação da eficiência de sistemas externos de dissipação de energia em estruturas. A primeira parte consistiu em projetar e construir um amortecedor metálico para logo submetê-lo a numerosos testes com diferentes níveis de amplitude de deslocamento e freqüência a fim de avaliar suas propriedades mecânicas e desempenho. Os resultados são considerados altamente satisfatórios. Na segunda parte foram desenvolvidas ferramentas computacionais para pesquisa e docência na área da mecânica estrutural mediante as quais é possível simular o comportamento linear e não linear de estruturas que incorporam amortecimento suplementar Finalmente, apresenta-se um procedimento robusto para avaliar a eficiência dos sistemas dissipadores de energia baseado numa análise da confiabilidade estrutural. Através de vários exemplos com estruturas reais e teóricas se atingem os objetivos traçados no presente trabalho.

A caracterização das ações hidrodinâmicas que ocorrem em estruturas de dissipação de energia é motivo de preocupação para muitos engenheiros ligados ao projeto de barragens. Tal preocupação resulta da necessidade de, durante a ocorrência de cheias, assegurar a estabilidade dos elementos estruturais dos órgãos de dissipação de energia face às intensas fiutuações de pressão ocasionadas pelos escoamentos turbulentos. Por isso, um método para estimativa dos valores extremos de pressão é de muita utilidade para os profissionais que atuam no dimensionamento das estruturas de dissipação de energia hidráulica. Desta forma, este trabalho consiste no ajuste da distribuição generalizada de valores extremos (GEV) e da distribuição generalizada de Pareto (GPD) aos dados de pressão instantânea registrados no protótipo do dissipador de energia por ressalto hidráulico da Usina Hidrelétrica (UHE) de Porto Colômbia, pertencentes a Fumas Centrais Elétricas. A qualidade do ajuste da GEV e da GPD foram avaliadas graficamente através dos gráficos PP-Plot e QQ-Plot e pela aplicação dos testes de Kolmogorov-Smirnov e de Cramér-von Mises, respectivamente. Os resultados obtidos indicam que a GEV é adequada para estudar as pressões máximas e mínimas para todas as vazões, enquanto, a GPD não descreveu de modo satisfatório o conjunto de valores excedentes formados, aproximadamente, por 1% e 2% do total de observações consideradas para análise. Os valores estimados de pressão, pelo ajuste da GEV aos dados, foram comparados com os valores medidos no protótipo da bacia de dissipação da UHE de Porto Colômbia e com os valores calculados segundo o método proposto por Wiest (2008) que considera a determinação do coeficiente estatístico de probabilidade. Quando a comparação é realizada com os valores medidos, os melhores resultados foram obtidos para as tomadas localizadas no trecho em curva para probabilidades inferiores a 10% e para as duas últimas tomadas da parte plana da bacia de dissipação para o intervalo de 1% a 99,9% de ocorrência, com erros relativos, em ambos os casos, inferiores a 10%. No entanto, para as tomadas localizadas na zona de maior fiutuação de pressão e para probabilidades de ocorrência inferiores a 80%, 90%, 95%, 99% e 99,9%, em média, o valor absoluto do erro relativo foi próximo a 20%. Quando comparamos as estimativas obtidas pelo ajuste da GEV e do método desenvolvido por Wiest (2008) evidenciamos que os melhores resultados obtidos pela GEV continuam sendo para as tomadas do trecho em curva. No entanto, em geral, o método proposto por Wiest (2008) apresenta melhores resultados nas estimativas para os valores de pressão para a quarta e quinta tomadas para as probabilidades de ocorrência no intervalo de 80% a 99,9%. Para as duas últimas tomadas, não foram caracterizadas diferenças expressivas entre os dois métodos para as diferentes probabilidades de ocorrência e os resultados foram entendidos como satisfatórios, pois, em média, o valor absoluto do erro relativo obtido é inferior a 6%. Cabe ressaltar, que 90% das estimativas obtidas para os valores de pressão pelo ajuste da GEV aos dados são a favor da segurança. / The characterization of hydrodynamic actions that occur in energy dissipation structures concerns many engineers who work with dams. Such concern is due ensure to the need to e the stability of structural elements for energy dissipation in the face of intense pressure fluctuations caused by turbulence during high discharge. A method for estimating extreme values of pressure therefore is necessary for professionals working in the dimensioning of hydraulic energy dissipation structures. This work therefore explores the use of the generalized extreme values distribution (GEV) and the generalized Pareto distribution (GPD) to instantaneous pressure data recorded in the energy dissipator prototype by hydraulic jump at the Hydroelectric Power Station (HPS) from Porto Colombia, which belongs to Furnas Centrais Elétricas. The goodness of fit of the GEV and the GPD were graphically evaluated through PP-Plot and QQ-Plot graphics and by the appliance of Kolmogorov-Smirnov and Cramér-von Mises tests, respectively. The results indicate that GEV is appropriate for studying maximum and minimum pressures for all outflows, while GPD did not describe satisfactorily the characteristics of exceedances which were, approximately, 1% and 2% of the total observations considered for analysis. The estimates of pressure, obtained by fitting GEV to the data, were compared with measured values in the dissipation basin prototype at the HPS from Porto Colombia, and with values calculated according to the method proposed by Wiest (2008), which considers the determination of the probability statistical coefficient. When compared with the measured values, best results were obtained for measurements points located at points with high curvature and for probabilities under 10%, and to the two last measurement points on the flat part of the dissipation basin for the interval from 1% to 99,9% of occurrence, with relative errors, in both cases, under 10%. However, for the measurement points located in the higher fluctuation zone of pressure, and for probabilities of occurrence under 80%, 90%, 95%, 99% and 99,9% on average, the absolute value of the relative error was about 20%. The estimates obtained by fitting GEV compared with the method developed by Wiest (2008) show that the best results obtained by GEV are for measurement points where curvature in the structure is high. Nevertheless, in general, the method proposed by Wiest (2008) presents better results in the estimates of the values of pressure for the fourth and the fifth measurement points and for to the probabilities of occurrence in the range 80% to 99,9%. For the last two measurement points, no marked differences were form the two methods for the different probabilities of occurrence, and the results are regarded as satisfactary, as on average the absolute value of the relative errar was lower than 6%. It is important to stress that 90% of the estimates obtained to the pressure values by GEV adjust to the data in on the side of safety.

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.

A caracterização das ações hidrodinâmicas que ocorrem em estruturas de dissipação de energia é motivo de preocupação para muitos engenheiros ligados ao projeto de barragens. Tal preocupação resulta da necessidade de, durante a ocorrência de cheias, assegurar a estabilidade dos elementos estruturais dos órgãos de dissipação de energia face às intensas fiutuações de pressão ocasionadas pelos escoamentos turbulentos. Por isso, um método para estimativa dos valores extremos de pressão é de muita utilidade para os profissionais que atuam no dimensionamento das estruturas de dissipação de energia hidráulica. Desta forma, este trabalho consiste no ajuste da distribuição generalizada de valores extremos (GEV) e da distribuição generalizada de Pareto (GPD) aos dados de pressão instantânea registrados no protótipo do dissipador de energia por ressalto hidráulico da Usina Hidrelétrica (UHE) de Porto Colômbia, pertencentes a Fumas Centrais Elétricas. A qualidade do ajuste da GEV e da GPD foram avaliadas graficamente através dos gráficos PP-Plot e QQ-Plot e pela aplicação dos testes de Kolmogorov-Smirnov e de Cramér-von Mises, respectivamente. Os resultados obtidos indicam que a GEV é adequada para estudar as pressões máximas e mínimas para todas as vazões, enquanto, a GPD não descreveu de modo satisfatório o conjunto de valores excedentes formados, aproximadamente, por 1% e 2% do total de observações consideradas para análise. Os valores estimados de pressão, pelo ajuste da GEV aos dados, foram comparados com os valores medidos no protótipo da bacia de dissipação da UHE de Porto Colômbia e com os valores calculados segundo o método proposto por Wiest (2008) que considera a determinação do coeficiente estatístico de probabilidade. Quando a comparação é realizada com os valores medidos, os melhores resultados foram obtidos para as tomadas localizadas no trecho em curva para probabilidades inferiores a 10% e para as duas últimas tomadas da parte plana da bacia de dissipação para o intervalo de 1% a 99,9% de ocorrência, com erros relativos, em ambos os casos, inferiores a 10%. No entanto, para as tomadas localizadas na zona de maior fiutuação de pressão e para probabilidades de ocorrência inferiores a 80%, 90%, 95%, 99% e 99,9%, em média, o valor absoluto do erro relativo foi próximo a 20%. Quando comparamos as estimativas obtidas pelo ajuste da GEV e do método desenvolvido por Wiest (2008) evidenciamos que os melhores resultados obtidos pela GEV continuam sendo para as tomadas do trecho em curva. No entanto, em geral, o método proposto por Wiest (2008) apresenta melhores resultados nas estimativas para os valores de pressão para a quarta e quinta tomadas para as probabilidades de ocorrência no intervalo de 80% a 99,9%. Para as duas últimas tomadas, não foram caracterizadas diferenças expressivas entre os dois métodos para as diferentes probabilidades de ocorrência e os resultados foram entendidos como satisfatórios, pois, em média, o valor absoluto do erro relativo obtido é inferior a 6%. Cabe ressaltar, que 90% das estimativas obtidas para os valores de pressão pelo ajuste da GEV aos dados são a favor da segurança. / The characterization of hydrodynamic actions that occur in energy dissipation structures concerns many engineers who work with dams. Such concern is due ensure to the need to e the stability of structural elements for energy dissipation in the face of intense pressure fluctuations caused by turbulence during high discharge. A method for estimating extreme values of pressure therefore is necessary for professionals working in the dimensioning of hydraulic energy dissipation structures. This work therefore explores the use of the generalized extreme values distribution (GEV) and the generalized Pareto distribution (GPD) to instantaneous pressure data recorded in the energy dissipator prototype by hydraulic jump at the Hydroelectric Power Station (HPS) from Porto Colombia, which belongs to Furnas Centrais Elétricas. The goodness of fit of the GEV and the GPD were graphically evaluated through PP-Plot and QQ-Plot graphics and by the appliance of Kolmogorov-Smirnov and Cramér-von Mises tests, respectively. The results indicate that GEV is appropriate for studying maximum and minimum pressures for all outflows, while GPD did not describe satisfactorily the characteristics of exceedances which were, approximately, 1% and 2% of the total observations considered for analysis. The estimates of pressure, obtained by fitting GEV to the data, were compared with measured values in the dissipation basin prototype at the HPS from Porto Colombia, and with values calculated according to the method proposed by Wiest (2008), which considers the determination of the probability statistical coefficient. When compared with the measured values, best results were obtained for measurements points located at points with high curvature and for probabilities under 10%, and to the two last measurement points on the flat part of the dissipation basin for the interval from 1% to 99,9% of occurrence, with relative errors, in both cases, under 10%. However, for the measurement points located in the higher fluctuation zone of pressure, and for probabilities of occurrence under 80%, 90%, 95%, 99% and 99,9% on average, the absolute value of the relative error was about 20%. The estimates obtained by fitting GEV compared with the method developed by Wiest (2008) show that the best results obtained by GEV are for measurement points where curvature in the structure is high. Nevertheless, in general, the method proposed by Wiest (2008) presents better results in the estimates of the values of pressure for the fourth and the fifth measurement points and for to the probabilities of occurrence in the range 80% to 99,9%. For the last two measurement points, no marked differences were form the two methods for the different probabilities of occurrence, and the results are regarded as satisfactary, as on average the absolute value of the relative errar was lower than 6%. It is important to stress that 90% of the estimates obtained to the pressure values by GEV adjust to the data in on the side of safety.

Orientador: Marcus Aloizio Martinez de Aguiar / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-07-26T18:21:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pereira_FabianaCrepaldi_M.pdf: 641786 bytes, checksum: 3ad10b2c805c9e482149ea1dc4d5cdce (MD5) Previous issue date: 1999 / Resumo: Investigamos a existência de dissipação de energia induzida por caos do ponto de vista da Mecânica Quântica. Para isso, analisamos o comportamento de um oscilador harmônico acoplado ao sistema de baixa dimensionalidade conhecido como Nelson. Observamos a evolução temporal de um pacote de ondas, tomando o traço nas variáveis do sistema caótico, e as energias médias de casa subsistema. Os resultados numéricos mostram um atraso na evolução do pacote compatível com o teorema adiabático. Embora não haja evidências conclusivas de dissipação, observamos oscilações na energia média do oscilador características do processo difusivo / Abstract: We investigate the existence of energy dissipation induced by chaos from the quantum mechanical point of view. We study the behavior of a harmonic oscillator coupled to a low dimensional chaotic system known as Nelson. We look at the time evolution of a wave packet tracing out the coordinates of the chaotic system. We also look at average energies of each sub-system. The numerical results show a delay in the time evolution of the packet compatible with the adiabatic theorem. Although there are no strong evidences of dissipation, we observe oscillations in the average energy of the harmonic oscillator which are characteristic of diffusive processes / Mestrado / Física / Mestre em Física

Orientador: Amir Ordacgi Caldeira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-22T09:06:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santos_AndreCidrim_M.pdf: 2425014 bytes, checksum: 811e505ae512a8d17530025bb5c11afb (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Nesse trabalho estudamos o problema quântico dissipativo de um pacote gaussiano aprisionado num potencial harmônico. Seguimos uma abordagem fenomenológica de dissipação, à luz do modelo Caldeira-Leggett, onde o ambiente é caracterizado por um banho osciladores harmônicos. Sendo um dos efeitos do acoplamento com o banho transformar o pacote inicialmente puro em uma mistura estatística num processo de decorrência, estimamos o tempo característico em que isso ocorre em diferentes regimes de temperatura e acoplamento / Abstract: In this work we have studied the quantum dissipative problem of a gaussian packet under the influence of a harmonic potential. A phenomenological approach to dissipation is taken, in the light of the Caldeira-Leggett model, in which the environment is characterized by a bath of harmonic oscillators. As one of the effects of the coupling to the bath being leading the initially pure packet into a statistical mixture, we estimate the characteristic time elapsed for this to occur in different regimes of temperature and coupling / Mestrado / Física / Mestre em Física

Orientador: Jose Antonio Roversi / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-07-31T16:11:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nogueira_GiovanaTrevisan_M.pdf: 726866 bytes, checksum: c3fecbc4b9b30f0f1b424821a66f3727 (MD5) Previous issue date: 2001 / Resumo: Neste trabalho, estudamos alguns aspectos dinâmicos de um sistema formado por duas cavidades acopladas interagindo com um átomo de dois níveis, baseando-nos no modelo Jaynes-Cummings para a interação átomo-campo e no trabalho de Hashem Zoubi et al. [3], sobre cavidades acopladas. Inicialmente apresentamos uma discussão sobre o limite de validade das transformações utilizadas por Hashem Zoubi et al. na diagonalização do Hamiltoniano das cavidades. Baseando-se nas conclusões deste estudo, foi proposto um Hamiltoniano aproximado para o sistema em consideração. Conseguimos uma transformação para os operadores de criação e aniquilação mais simples, que diagonaliza o Hamiltoniano do sistema e permite o cálculo dos autoestados que são utilizados no cálculo das propriedades dinâmicas do sistema átomo-cavidade acoplado a outra cavidade. Em conseqüência da simplicidade do tratamento dado, pudemos calcular o comportamento, em função do tempo, da inversão atômica, do número médio de fótons e da pureza do sistema. Pudemos também comparar os resultados com o que acontece no sistema átomo-campo de uma cavidade. Observamos o aparecimento do fenômeno de colapso e ressurgimento na inversão atômica, porém não no número médio de fótons, em situações para as quais este fenômeno não acontece no sistema átomo-campo de uma cavidade. Observamos também que o sistema átomo-campo de duas cavidades tende a um grau de mistura muito maior do que no caso de uma cavidade em situações semelhantes / Abstract: In this work, we study some dynamical aspects of a system composed by two coupled cavities interacting with a two-level atom, based in the Jaynes-Cummings model of the atom-field interaction and in the Hashem Zoubi et al.'s work [3] about coupled cavities. Initialy, we show a discussion about the validity of the transformation used by Hashem Zoubi et al. in the diagonalization of the Hamiltonian of the cavities. Using the conclusions of this study, we propose an approximated Hamiltonian for this system. We obtain a simpler transformation to the creation and annihilation operators that diagonalizes the Hamiltonian of the system and allows us to calculate the eigenstates used in the calculation of the dynamical properties of the atom-field system with two cavities. Due to the simplicity of this method, we could calculate the behavior as a function of the time of the atomic inversion, the mean number of photons and the purity of the system. We could also compare the obtained results with what happens in the atom-field system of one cavity. We notice the quantum collapse and revival in the atomic inversion, but not to the mean number of photons, in situations where this phenomenon doesn't happen in the one-cavity system. We also notice that in the atom-field system with two cavities tends to a larger degree of mixture than the case of one cavity in similar conditions / Mestrado / Física / Mestra em Física