Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2009. / Submitted by Larissa Ferreira dos Angelos (ferreirangelos@gmail.com) on 2010-04-14T20:07:49Z No. of bitstreams: 1 2009_PedroPauloMeirelesRamos.pdf: 8156277 bytes, checksum: 4e78ca0672b8d90086f08514b0cb9bcf (MD5) / Approved for entry into archive by Daniel Ribeiro(daniel@bce.unb.br) on 2010-04-27T21:45:43Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2009_PedroPauloMeirelesRamos.pdf: 8156277 bytes, checksum: 4e78ca0672b8d90086f08514b0cb9bcf (MD5) / Made available in DSpace on 2010-04-27T21:45:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2009_PedroPauloMeirelesRamos.pdf: 8156277 bytes, checksum: 4e78ca0672b8d90086f08514b0cb9bcf (MD5) Previous issue date: 2009-02-19 / Na Europa, a utilização de materiais asfálticos como elemento impermeabilizante do maciço é prática corrente desde 1930, tendo ao longo do tempo comprovado ser uma opção tecnicamente eficaz e economicamente competitiva quando comparada com as soluções tradicionais. Em 2003, um projeto de pesquisa financiado pela ANEEL e coordenado por Furnas Centrais Elétricas e em parceria com a Universidade de Brasília serviu para iniciar o estudo da aplicação de materiais asfálticos para a aplicação em barragens. Os bons resultados apresentados pelo projeto evidenciaram e comprovaram o potencial de aplicabilidade dessa tecnologia e o fruto mais concreto dessa pesquisa é a barragem da UHE Foz do Chapecó, o primeiro núcleo asfáltico a ser construído no Brasil. O presente trabalho teve como objetivo complementar as pesquisas iniciadas por Falcão (2003 e 2007), estudando principalmente o comportamento das misturas de concreto betuminoso usinado a quente (CBUQ) com diferentes tipos de agregados (basalto, calcário, granito e micaxisto) no que se refere ao fenômeno da fluência, além de verificar e comparar o comportamento das propriedades mecânicas e hidráulicas das diferentes misturas. Para isso foram realizados os ensaios de caracterização dos materiais, dosagem da mistura, desgaste cântabro, resistência à tração, resistência à compressão, permeabilidade, triaxial e ensaios de fluência estática não confinada. Para todas as misturas estudadas notou-se a diminuição do volume de vazios, da resistência a tração e do desgaste cântabro com o aumento do teor de ligante na mistura. Verificou-se que uma maior quantidade de ligante faz com ocorra uma queda da rigidez, tornando a mistura seja mais susceptível ao fenômeno da fluência. De uma forma geral o desempenho das misturas quanto à fluência pode ser classificado de maneira decrescente seguindo a seguinte ordem: CBUQ-micaxisto, CBUQ-basalto, CBUQ-granito e CBUQcalcário. Sob o aspecto hidráulico, misturas praticamente impermeáveis podem ser obtidas para um volume de vazios inferior a 3%, valor este obtido para a maioria das misturas que contém teores de ligante superiores a 5,5%. Conclui-se, finalmente, que o comportamento mecânico e hidráulico da misturas de CBUQ estudadas apresentou-se coerente com os valores encontrados na literatura e que estas misturas são potencialmente aplicáveis em estruturas hidráulicas. _________________________________________________________________________________ ABSTRACT / Hot mix asphalts (HMA) have been used as impervious core of rockfill dams in Europe since the 1930s. These experiences show that HMA can provide a technically and economically viable alternative to conventional clay core dams. This type of solution has not yet been tried in Brazil and this motivated a joint venture research program involving Furnas Electrical Company and the University of Brasilia, with the financial support of ANEEL. This research stated in 2003 and is still under way, but the promising results obtained so encouraged the project of the first HMA core dam, currently under construction in Foz do Chapeco, in the Southern region of Brazil. This dissertation is part of this research program and its main objective is to complement the previous studies about the mechanical and hydraulic properties of asphalt concrete using different types of aggregates, such as limestone, micaschist, granite and the basalt of Foz do Chapeco dam. The laboratory testing program includes: the full characterization of the component materials, such as aggregates and asphalt binder; the dosage of the hot asphalt mixes; mechanical tests, such as Cantabro abrasion, unconfined compression, indirect tensile strength, triaxial compression, and a special focus on unconfined creep tests. Hydraulic tests were also performed to determine the permeability of the mixtures. The results show a decrease in volume of voids, tensile strength and Cantabro mass loss for mixes with increasing asphalt binder contents. It was also observed that the increase in binder content results in mixes with lower stiffness and higher creep compliance. Considering the different mineralogy of the aggregates investigated, the overall mechanical performance of the asphalt mixes can be roughly classified in the following order, from best to poorer: HMA-Micaschist, HMA-Basalt, HMA-Granite and HMA-Limestone. From the hydraulic point of view, practically impervious mixes could be obtained for specimens with volume of voids lower than 3% and this was achieved for most mixes with binder content above 5,5%. Finally, it is conclude that the hydraulic and mechanical properties obtained during this research are compatible with the values reported in the specialized literature and that HMA properly designed are potentially applicable as impervious core in rockfill dams.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2017. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2017-07-31T12:20:03Z No. of bitstreams: 1 2017_RamsayRafaelMacDonald.pdf: 4803485 bytes, checksum: 10d4b13dca72d536ac829226796346ba (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2017-09-11T16:28:58Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_RamsayRafaelMacDonald.pdf: 4803485 bytes, checksum: 10d4b13dca72d536ac829226796346ba (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-11T16:28:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_RamsayRafaelMacDonald.pdf: 4803485 bytes, checksum: 10d4b13dca72d536ac829226796346ba (MD5) Previous issue date: 2017-09-11 / O projeto Hydro-K tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina hidrocinética. O protótipo ou o modelo preliminar desta certamente apresenta incertezas e para eliminá-las são necessários testes e coleta de dados. Essa coleta foi feita através de uma plataforma instrumental desenvolvida neste trabalho. Um outro desafio foi o controle da turbina. O controle tradicional das turbinas hidrocinéticas com um eixo horizontal, velocidade variável e um angulo da pá fixo, requer o mapeamento da curva CP da turbina com antecedência. Em seguida, a sua velocidade de rotação é medida e manipulada de modo a manter a máxima eficiência do rotor. Recentemente, o controle do Maximum Power Point Tracking (MPPT) foi aplicado às turbinas eólicas. Esse método de controle elimina a necessidade de mapeamento de curva CP medindo a tensão e a saída de corrente do gerador e ajustando periodicamente a carga elétrica no gerador para manter a potência máxima de saída elétrica. Considerando as semelhanças entre as turbinas hidrocinéticas e as eólicas, é provável que o MPPT possa ser aplicado para os hidrogeradores. Um segundo objetivo desta dissertação é avaliar a eficácia do MPPT para turbinas hidrocinéticas comparando uma estratégia de controle convencional com o MPPT usando simulações no "SIMULINK". A carga elétrica no gerador é variada usando o Pulse Width Modulation (PWM). A turbina hidrocinética do Hydro-K desenvolvida na Universidade de Brasília (UnB) é equipada com um gerador síncrono-trifásico com ímã permanente. Os resultados das simulações e experiências são apresentados comparando os dois métodos de controle acima mencionados sob diferentes condições de velocidade da água, e mostram que o controle MPPT fornece uma saída elétrica superior. / A project named Hydro-K is aimed at developing a hydrokinetic turbine. The prototype or preliminary model of this turbine will inherently present uncertainties. Eliminating them requires testing and data gathering. The data is acquired using an instrumentation platform designed in this dissertation. Another challenge will be controlling the turbine. Controlling traditional horizontal-axis-variable-speed-fixed-pitch hydrokinetic turbines requires mapping its efficiency at various water and rotor speeds, i.e., the CP curve of the turbine, in advance. Whereafter, its rotational velocity is measured and manipulated in order to maintain maximum efficiency of the rotor. Recently, Maximum Power Point Tracking (MPPT) control has been applied to wind turbines. This control method eliminates the necessity of CP curve mapping by measuring the generator’s voltage and current output, and periodically adjusting the electrical load on the generator to maintain the maximum electrical power output. Considering the similarities between hydrokinetic and wind turbines, it is likely that MPPT can be effectively applied for the hydrokinetic variant. Therefore, a second objective is assessing the effectiveness of MPPT for hydrokinetic turbines by comparing a conventional control strategy with MPPT using simulations in "SIMULINK". The electrical load on the generator is varied by using Pulse Width Modulation (PWM). The Hydro-K turbine developed at the University of Brasilia (UnB) is equipped with a three-phase-permanent-magnet-synchronous- generator (PMSG). The results of the simulations are presented by comparing the two aforementioned control methods under different water velocity conditions, and show that MPPT control delivers a superior electrical output.

O presente trabalho apresenta soluções e análises desenvolvidas em estruturas extravasoras em aproveitamentos a fio dágua, envolvendo análises nos critérios de operação de diversos tipos de descarregadores, tais como: soleira normal, labirinto, tulipa e comportas específicas. Para tanto se faz necessário o estudo e comparação de resultados a serem desenvolvidos em cada projeto com relação aos fatores hidráulicos, hidrológicos, geológicos, topográficos e dos riscos envolvendo prejuízos decorrentes de falhas nas estruturas hidráulicas. A avaliação de extravasores labirinto em aproveitamentos hidrelétricos de projetos aprovados pela Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL tem o objetivo de analisar a segurança em relação à construção e à operação, com foco no desenvolvimento de descarregadores adequados para cada estudo de caso presentes neste trabalho. Esta avaliação indica as condições geométricas, econômicas e hidráulicas do extravasor labirinto adequado para cada situação de aproveitamento hidrelétrico a fio dágua. / This paper studies solutions and analysis developed in spillways structures in hydroelectric development trickle, involving analysis of the operation criteria of several types of dischargers, such as threshold normal maze, morning glory and specific gates. For this purpose it is necessary to study and compare the results to be developed in each project about the factors hydraulic, hydrologic, geologic, topographic and risks involving losses due to failures in hydraulic structures. The evaluation of spillways maze in hydroelectric of projects approved by the National Agency of Electric Energy - ANEEL aims to analyze the safety for the construction and operation, focusing on the development of suitable dischargers for each case study in this work. This assessment indicates the geometric, economic and hydraulic conditions of the most suitable spillways maze for each situation of hydroelectric development trickle.

Os vertedores são estruturas hidráulicas de suma importância no controle de escoamento e também para medição de vazões. Estas estruturas são amplamente utilizadas em aproveitamento múltiplos principalmente como controle de vazão. Neste trabalho é apresentado um histórico dos estudos elaborados para vertedores, demonstrando as principais características entre cada estudo.Também são apresentados os resultados obtidos através dos cálculos de linha d\'água é pressão utilizando as equações para superfícies de fundo curvo para um perfil segundo o equacionamento de Creager e o perfil Cossenoidal proposto por este trabalho. O escoamento realizado em um perfil Cossenoidal apresenta um comportamento muito semelhante ao escoamento realizado em um perfil do tipo Creager. Com a utilização do perfil Cossenoidal foi possível realizar a coincidência de raio de curvatura no trecho da crista onde o raio de curvatura do perfil Cossenoidal ajustado a um perfil do tipo Creager, apresentou o mesmo valor para o raio de curvatura para uma elipse proposta por Maynord modificado por este trabalho. Os resultados de linha d\'água e pressão foram bons e satisfatórios muito semelhantes aos valores já apresentados pelas soleiras convencionais (Creager e Maynord). / The spillways are hydraulic structures very important in the control flow and for measuring flow rates. These structures are widely used mainly for multiple use flow control. This work presents a history of the studies prepared for spillways, showing the main features of each study. It is intended to study a cosinusoidal profile through a mathematical model seeking to obtain satisfactory answers to the water lines and pressure for the studied profile. Showing the results obtained through the water level and pressure calculations, using the equations for curve surface for a Creager\'s profile and Cossenoidal\'s profile suggest in this work. The flow realized in a Cossenoidal\'s profile show a behavior similar at the flow realized in a Creager\'s profile. The utilization of the Cossenoidal\'s profile was possible to realize the coincidence of the curvature radius in the crest between Cossenoidal\'s profile and Maynord Modified ellipse, and this profile was adjusted with a Creager\'s profile and Maynord\'s ellipse. The results of water level and pressure showed goods and satisfactory, very similar with the values showed in other studies for a conventional weirs (Creager and Maynord).

Submitted by Leonardo Lima (leonardoperlim@gmail.com) on 2017-04-05T13:52:45Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) PRIEBE, PRISCILA DOS SANTOS.pdf: 6027760 bytes, checksum: 2c466e7a412a31589107598961ec1050 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-05T13:52:45Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) PRIEBE, PRISCILA DOS SANTOS.pdf: 6027760 bytes, checksum: 2c466e7a412a31589107598961ec1050 (MD5) Previous issue date: 2016-05-03 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul - FAPERGS / O escoamento a jusante de comportas em qualquer estrutura hidráulica é altamente turbulento e complexo, devido a ocorrência de altas velocidades e bruscas variações de pressões nesta região, apresentando um comportamento na distribuição de pressão semelhante ao do ressalto hidráulico submergido à superfície livre. Uma das formas de quantificar e estimar os esforços que ocorrem nas estruturas hidráulicas a jusante de comportas é através da utilização de modelos reduzidos, os quais permitem a medição de grandezas físicas. Com isso, o objetivo desta pesquisa é caracterizar as pressões induzidas na base pelo escoamento a jusante de comportar em condutos retangulares criando um método de previsões de pressões extremas para a base com distintas probabilidades de ocorrências a partir de parâmetros adimensionais, conforme a proposta de Marques et al., (1997). Os aspectos metodológicos dessa pesquisa iniciaram-se por uma investigação experimental detalhada sobre as características hidráulicas do escoamento a jusante de uma comporta em um modelo físico hidráulico de um aqueduto de um sistema de enchimento/esvaziamento de uma eclusa de navegação de média/alta queda. Este modelo foi implantado no Laboratório de Hidráulica do curso de Engenharia Hídrica da Universidade Federal de Pelotas. Realizou-se medição e análise de grandezas físicas, principalmente, das distribuições longitudinais de pressões, em termos médios, flutuantes e extremos que ocorrem em diferentes vazões e aberturas da comporta. Através da análise dos dados caracterizou-se o comportamento das pressões médias, das flutuações de pressões e das pressões máximas e mínimas ao longo da base do conduto sob diferentes condições de vazão e grau de abertura da comporta, onde constatou-se que as situações mais críticas de funcionamento do sistema para as vazões e aberturas ensaiadas foram para as aberturas de 30% e 40% e vazões de 23,0L.s-1 e 31,8L.s-1, respectivamente. A partir da análise dos dados caracterizou-se o comportamento das pressões médias e das flutuações de pressão ao longo da base do conduto por meio da relação entre coeficientes adimensionais de posição e pressão, que juntamente com os coeficientes estatísticos com determinada probabilidade de não-excedência, também propostos nesta pesquisa, é possível estimar as pressões atuantes na base de um conduto retangular a jusante de comporta, com determinada probabilidade de não-excedência, ainda na etapa de projeto, aumentando a eficiência e a segurança do projeto destes sistemas. O método proposto nesta pesquisa fornece resultados satisfatórios, quando verificado com dados experimentais de outro modelo físico. / Flow downstream of gates in any hydraulic structure is highly turbulent and complex, due to the occurrence of high velocities and abrupt pressure variations in that region, presenting a pressure distribution behavior similar to that of a hydraulic jump submerged in a free surface. One way of quantifying and estimating the forces occurring on the hydraulic structures downstream of gates is through the use of reduced models, which allow the measurement of physical magnitudes. Accordingly, the aim of this research is to characterize the induced pressures on the base due to flow downstream of gates in rectangular conduits building a method that allows the forecasting of extreme pressures for the base with different possibilities of occurrence using adimensional parameters, as suggested by Marques et al., (1997). The methodological aspects of this research began with an detailed experimental investigation regarding the hydraulic flow characteristics downstream of a gates in a hydraulic physical model in an aqueduct of a filling/emptying system of a navigation lock of medium/high drop. This model was implanted in the Laboratório de Hidráulica of course Engenharia Hídrica, in the Universidade Federal de Pelotas. The measuring, physical magnitudes analysis, and mainly, the longitudinal pressure distribution in average, fluctuations and extreme terms occurring in different flow rates and gate openings were all conducted. Through the data analysis were characterized the behavior of average pressures, the fluctuations pressures and the maximum and minimum pressures along the base of the conduit under different flow rate conditions and gate openings, where were found that the most critic operating situation of the system for the flow rates and openings tested were the openings of 30% and 40% and the flow rates of 23.0L.s-1 and 31.8L.s-1, respectively. From the data analysis, the behavior of the average pressures and the fluctuating pressures along the base of the conduit were characterized through the correlation of admensional coefficients of position and pressure, that alongside the static coefficients with a determined probability of non-exceedance, also proposed on this research, made possible the estimation of the acting pressures on the base of a rectangular conduit downstream of a gate, with a determined probability of non-exceedance, during the project phase, rising the efficiency and the safety of the project of these systems. The method proposed in this research provides satisfactory results, when verified with experimental data in another physical model.

Os vertedores são estruturas hidráulicas de suma importância no controle de escoamento e também para medição de vazões. Estas estruturas são amplamente utilizadas em aproveitamento múltiplos principalmente como controle de vazão. Neste trabalho é apresentado um histórico dos estudos elaborados para vertedores, demonstrando as principais características entre cada estudo.Também são apresentados os resultados obtidos através dos cálculos de linha d\'água é pressão utilizando as equações para superfícies de fundo curvo para um perfil segundo o equacionamento de Creager e o perfil Cossenoidal proposto por este trabalho. O escoamento realizado em um perfil Cossenoidal apresenta um comportamento muito semelhante ao escoamento realizado em um perfil do tipo Creager. Com a utilização do perfil Cossenoidal foi possível realizar a coincidência de raio de curvatura no trecho da crista onde o raio de curvatura do perfil Cossenoidal ajustado a um perfil do tipo Creager, apresentou o mesmo valor para o raio de curvatura para uma elipse proposta por Maynord modificado por este trabalho. Os resultados de linha d\'água e pressão foram bons e satisfatórios muito semelhantes aos valores já apresentados pelas soleiras convencionais (Creager e Maynord). / The spillways are hydraulic structures very important in the control flow and for measuring flow rates. These structures are widely used mainly for multiple use flow control. This work presents a history of the studies prepared for spillways, showing the main features of each study. It is intended to study a cosinusoidal profile through a mathematical model seeking to obtain satisfactory answers to the water lines and pressure for the studied profile. Showing the results obtained through the water level and pressure calculations, using the equations for curve surface for a Creager\'s profile and Cossenoidal\'s profile suggest in this work. The flow realized in a Cossenoidal\'s profile show a behavior similar at the flow realized in a Creager\'s profile. The utilization of the Cossenoidal\'s profile was possible to realize the coincidence of the curvature radius in the crest between Cossenoidal\'s profile and Maynord Modified ellipse, and this profile was adjusted with a Creager\'s profile and Maynord\'s ellipse. The results of water level and pressure showed goods and satisfactory, very similar with the values showed in other studies for a conventional weirs (Creager and Maynord).

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.

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

A ocorrência de vibrações induzidas pelo escoamento em estruturas hidráulicas é um fenômeno altamente indesejável, pois pode causar uma série de problemas de funcionamento, manutenção e em alguns casos pode ocasionar até mesmo o colapso da estrutura em questão. Apesar disso, esse aspecto ainda é considerado como um elemento secundário de projeto. O estudo numérico desse fenômeno ainda é extremamente complexo, fazendo-se necessário o uso de modelos em escala reduzida das estruturas reais para a estimativa do comportamento dinâmico dessas estruturas. A modelagem do comportamento dinâmico de estruturas submetidas ao escoamento de água é denominada de modelagem hidroelástica. Para a aplicação correta da modelagem hidroelástica é fundamental um entendimento profundo sobre os aspectos básicos dos fenômenos hidráulicos e mecânicos atuantes na estrutura. O presente trabalho concentrou-se na investigação experimental de alguns aspectos básicos do fenômeno de vibrações induzidas por vórtices em estruturas cilíndricas, com o objetivo de ampliar a base de conhecimento existente sobre esse fenômeno e, dessa forma, contribuir para o aperfeiçoamento das técnicas de modelagem hidroelástica. Vale ressaltar que existem outros mecanismos de instabilidade causadores de vibrações, além do desprendimento de vórtices, que não foram abordados nesta dissertação. Os aspectos básicos abordados neste trabalho foram os seguintes: • Razão de Aspecto L/D – razão entre o comprimento do cilindro exposto ao escoamento e seu diâmetro; • Parâmetro de massa-amortecimento (m*+CA)ζ − parâmetro adimensional formado pelo produto entre a massa da estrutura e seu amortecimento ζ. Para a investigação experimental foram ensaiados cilindros rígidos elasticamente montados e pivotados na base, submetidos ao escoamento permanente de água em canal aberto, com dois graus de liberdade para oscilar. Apesar da liberdade para oscilar em duas direções, o presente trabalho concentrou-se apenas nas vibrações transversais à direção do escoamento. Os cilindros empregados possuem diferentes diâmetros, diferentes massas e dois tipos de molas para a fixação elástica. A variação desses parâmetros resultou em comportamentos oscilatórios diferentes, caracterizados através da medição das acelerações no topo do cilindro, que posteriormente foram convertidos em valores de deslocamento no topo do cilindro. O comportamento oscilatório dos cilindros foi descrito através de curvas de amplitudes adimensionais A/D, ou seja, amplitude de oscilação dividida pelo diâmetro do cilindro, e curvasde freqüência adimensional fd/fna, ou seja, freqüência de oscilação dominante (fd) dividida pela freqüência natural da estrutura na água (fna). Como principais resultados dessa investigação experimental pode-se ressaltar os seguintes pontos: • O parâmetro (m*+CA)ζ não influencia de maneira significativa o comportamento oscilatório do sistema em termos de freqüência adimensional (fd/fna); • Demonstrou-se a influência da razão de aspecto sobre as amplitudes máximas de oscilação, em conjunto com o uso do parâmetro (m*+CA)ζ. As amplitudes máximas de oscilação sofreram redução com o aumento da razão de aspecto dos cilindros, para valores de L/D entre 6 e 20. O comportamento das amplitudes máximas de oscilação com relação ao parâmetro (m*+CA)ζ apresentou um comportamento mais complexo, dependendo da razão de aspecto ensaiada; • Alguns ensaios colocam em dúvida a validade do uso do parâmetro (m*+CA)ζ para representar de forma combinada as variações do amortecimento estrutural e razão de massa, pelo menos para a configuração experimental adotada e valores de (m*+CA)ζ < 0,074. / The occurrence of flow-induced vibrations in hydraulic structures is a highly undesirable phenomenon, because it can cause a series of operational and maintenance problems, and in some cases it can cause even the collapse of the structure. In spite of that, that aspect is still considered as a secondary element of project. The numeric study of that phenomenon is still extremely complex, being done necessary the use of models in reduced scale of the real structures for the estimate of the dynamic behavior of those structures. The modeling of the dynamic behavior of structures submitted to the flow of water is denominated hydroelastic modeling. For the correct application of the hydroelastic modeling it is fundamental a deep understanding on the basic aspects of the hydraulic and mechanical phenomena active in the structure. The present work concentrated on the experimental investigation of some basic aspects of the phenomenon of vortex-induced vibrations in cylindrical structures, with the objective of enlarging the base of existent knowledge on that phenomenon and, in that way, to contribute for the improvement of the hydroelastic modeling techniques.It is worth to emphasize that there are other mechanisms of instability responsible for the vibrations, besides vortex-shedding, they were not approached in this dissertation. The basic aspects approached in this work were the following ones: • Aspect ratio L/D - ratio of the submerged cylinder length to its diameter; • Mass-damping parameter (m*+CA)ζ − dimensionless parameter formed by the product between the mass of the structure and its structural damping ζ. For the experimental investigation, pivoted rigid cylinders were elastically mounted, submitted to steady flow of water in an open channel, with two degrees of freedom to oscillate. The present work concentrated in the study of the vibrations perpendicular to the flow direction. The employed cylinders possess different diameters, different masses and two types of springs for the elastic fixation. The variation of those parameters resulted in different oscillatory behaviors, characterized through the measurement of the accelerations in the top of the cylinder, that later were converted in displacement values in the top of the cylinder. The oscillatory behavior of the cylinders was described through curves of dimensionless amplitudes A/D, in other words, oscilation amplitude divided by the diameter of the cylinder, and curves of dimensionless frequency fd/fna, in other words, oscillating dominant frequency (fd) divided by the natural frequency of the structure in the water (fna). As main results of that experimental investigation the following points can be emphasized: • The parameter (m*+CA)ζ does not influence in a significant way the oscillatory behavior of the system in terms of dimensionless frequency (fd/fna); • The influence of the aspect ratio was demonstrated on the dimensionless amplitude of oscillation, together with the use of the parameter (m*+CA)ζ. The maximum amplitudes of oscillation suffered reduction with the increase of the aspect ratio of the cylinders, for values of L/D between 6 and 20. The behavior of the maximum dimensionless amplitudes of oscillation regarding the parameter (m*+CA)ζ presented a more complex behavior, depending on the aspect ratio; • Some results put in doubt the validity of the use of the parameter (m*+CA)ζ to combine the variations of the structural damping and mass ratio, at least for the experimental configuration adopted and values of (m*+CA)ζ < 0.074.

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.