Este trabalho foi desenvolvido no Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul e teve apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES e de Furnas Centrais Elétricas S.A., promotora do Projeto de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) intitulado "Análise da Macroturbulência em Dissipadores por Ressalto Hidráulico", no qual o presente encontra-se inserido. A dissipação da energia acumulada resultante de barramentos de cursos d'águas, na maioria das vezes com o propósito de geração de energia, é, geralmente, proporcionada a partir da formação de um ressalto hidráulico na base da estrutura, com a implantação de bacias de dissipação e a formação do ressalto hidráulico. O ressalto é caracterizado como um fenômeno bruscamente variado em que ocorre a rápida passagem de um regime de escoamento rápido para um regime lento, com a formação de intensa turbulência e grande incorporação de ar. Os danos causados às estruturas de dissipação de energia após anos de operação, principalmente em função de esforços resultantes de cavitação, ressonância e fadiga, implicam na necessidade de uma avaliação mais aprofundada do fenômeno, principalmente com a caracterização de parâmetros inerentes ao escoamento macroturbulento formado, como, por exemplo, o campo de pressões sobre a estrutura. Dessa forma, pode-se obter subsídios para um projeto deste tipo de estrutura cada vez mais seguro, otimizado e, por conseguinte, cada vez mais viável economicamente. Este trabalho tem por objetivo apresentar uma metodologia para a previsão das grandezas atuantes sobre as bacias de dissipação por ressalto hidráulico, principalmente no tocante ao comportamento das pressões médias sobre a estrutura, das flutuações de pressão e das pressões extremas resultantes do escoamento, com a peculiaridade de tratar-se de ressaltos ditos submergidos, cujo número de trabalhos ainda é reduzido. Foram utilizados dados de modelo físico, concebido sob semelhança de Froude, comparados com dados obtidos com medições em escala real. Em linhas gerais a metodologia proposta, que consiste da utilização de adimensionalização dos parâmetros estudados ao longo do ressalto, mostrou se bastante eficaz na determinação dos esforços atuantes sobre a estrutura, bem como na comparação com o empreendimento na escala real. Verifica-se uma intensa influência da submergência nos parâmetros avaliados, de forma que se entende que sua influência deve ser considerada no projeto deste tipo de estrutura. / The present work was developed in the Programa de Pós Graduação em Recursos Hidrícos e Saneamento Ambiental of the Instituto de Pesquisas Hidráulicas of the Universidade Federal do Rio Grande do Sul, with support of CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior and Furnas Centrais Elétricas S.A. as part of a Research and Development (P&D) project entitled "Macroturbulence Analysis of Hydraulic Jump Stilling Basins". The dissipation of accumulated energy in the form of water head in dams (most often with the purpose of generating energy) is usually provided by the hydraulic jump formation at the base of the structure with the implantation of stilling basins. The hydraulic jump is an abrupt phenomena caused by a change from super-critical to sub-critical flow creating intense turbulence and air entrainment. The damages caused to energy dissipation structures through the years due to cavitation, resonance and fatigue indicate a need to thoroughly evaluate this phenomena, mainly by characterizing its macroturbulent flow parameters such us the pressure field. This way, it is possible to have safer, optimized and economically viable structures. This work presents a reliable methodology to establish the parameters of hydraulic jump stilling basins, mainly regarding the mean pressure, pressure fluctuations and extreme pressures of the flow in submerged hydraulic jumps. The bibliography found on this subject is reduced. Data from physical models using Froude similarity principle were compared with real scale measurements. The proposed methodology which consisted of using non-dimensional parameters along the hydraulic jump was very efficient to determine the active forces over the structure as well as comparing the structure in real scale. There is a high influence of the submergence in the evaluated parameters and this should be considered in designing this type of structures.

FRANÇA, E. M. Análise das condições de segurança da barragem Castanhão baseado nos registros da instrumentação. 2008. 283 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil: Recursos Hídricos) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2008. / Submitted by João silva (jpauloqxb@gmail.com) on 2016-05-05T17:53:04Z No. of bitstreams: 1 2008_dis_emfrança.pdf: 7903896 bytes, checksum: 6d7383c7c8671e9e149692454a26ae19 (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2016-05-11T18:19:52Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2008_dis_emfrança.pdf: 7903896 bytes, checksum: 6d7383c7c8671e9e149692454a26ae19 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-11T18:19:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2008_dis_emfrança.pdf: 7903896 bytes, checksum: 6d7383c7c8671e9e149692454a26ae19 (MD5) Previous issue date: 2008-03-17 / The Castanhão Dam, located in the Alto Santo District in the State of Ceará, requires continuous performance and monitoring ,in order to monitor its behavior and performance and check if these meet with design assumptions and are inside of the acceptable safety conditions. The main objective of this research is to analyze the results of the periodic measurements in piezometers and foundation drains installed in the concrete dam, and comparison of foundation flow with of flow simulations. An analysis of the uplift behavior was performers by plotting design uplift distributions and the resulting seepage flow drainage holes, by make comparisons between the existing literature and the simulations were made using the software GEOSLOPE(SEEP/W). The data used in this work were based upon readings from 16 Casagrande piezometers and 151 drainage holes that measured: the coefficient of permeability of foundation soils and the height of the water level upstream and downstream of the reservoir. From this data the uplift distributions were drawn and the foundation flow simulated. With respect to the uplift, the dam showed satisfactory behavior, with one extreme case that was still inside the project’s safety limits. The infiltration flow, in general, was showed inside acceptable limits, however drainage hole 111 exhibited flow above the limits, therefore the monitoring team should be always in state of alert. Five sceneries were proposed for the simulations, where the principal variable was the value of the coefficient of permeability. Four of these five sceneries can be compared with the real data of seepage, however in 50% of the cases, differences in theses values from 0,5 to 1,5 due to generalization of the adopted coefficient of permeability. / A Barragem Castanhão em Alto Santo, Ceará, necessita de operação e monitoramento constantes, a fim de se acompanhar o seu comportamento e desempenho e verificar se estes estão de acordo com as hipóteses formuladas no projeto e dentro das condições de segurança estabelecidas. Este trabalho tem como objetivo principal a análise dos resultados das medições periódicas obtidas nos piezômetros e drenos de fundação instalados na barragem, além da comparação das vazões de fundação através de simulações de fluxo. Foi realizada uma análise do comportamento das subpressões, plotando-se em diagramas as subpressões de projeto e as medidas com relação aos furos de drenagem onde foram estudadas as vazões de infiltrações, realizando-se comparações entre a literatura existente e as simulações executadas com a aplicação do programa GEOSLOPE (SEEP/W). Os dados utilizados nesta pesquisa são referentes às leituras de 16 piezômetros do tipo Casagrande e de 151 furos de drenagem, aos coeficientes de permeabilidade do solo de fundação, às cotas dos níveis d’água do reservatório e à jusante da barragem. A partir destes dados foram traçados os diagramas de subpressões e estruturada a modelagem para as simulações de fluxo pela fundação. No que concerne às subpressões, a barragem mostrou comportamento satisfatório, apresentando um caso extremo, porém ainda dentro dos limites de segurança do projeto. Com relação às vazões de infiltração, em geral, mostraram-se dentro dos limites aceitáveis, porém o furo de drenagem 111 apresentou vazão acima deste limite, o que deve manter em estado de alerta a equipe de monitoramento. Foram propostos cinco cenários para as simulações, em que a variável principal foi o coeficiente de permeabilidade e onde as vazões calculadas foram comparados com as reais. Constatou-se que em 50% dos casos ocorreram diferenças nestes valores de 0,5 a 1,5, o que deve-se a generalização do coeficiente de permeabilidade adotado.

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.

Este trabalho foi desenvolvido no Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul e teve apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES e de Furnas Centrais Elétricas S.A., promotora do Projeto de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) intitulado "Análise da Macroturbulência em Dissipadores por Ressalto Hidráulico", no qual o presente encontra-se inserido. A dissipação da energia acumulada resultante de barramentos de cursos d'águas, na maioria das vezes com o propósito de geração de energia, é, geralmente, proporcionada a partir da formação de um ressalto hidráulico na base da estrutura, com a implantação de bacias de dissipação e a formação do ressalto hidráulico. O ressalto é caracterizado como um fenômeno bruscamente variado em que ocorre a rápida passagem de um regime de escoamento rápido para um regime lento, com a formação de intensa turbulência e grande incorporação de ar. Os danos causados às estruturas de dissipação de energia após anos de operação, principalmente em função de esforços resultantes de cavitação, ressonância e fadiga, implicam na necessidade de uma avaliação mais aprofundada do fenômeno, principalmente com a caracterização de parâmetros inerentes ao escoamento macroturbulento formado, como, por exemplo, o campo de pressões sobre a estrutura. Dessa forma, pode-se obter subsídios para um projeto deste tipo de estrutura cada vez mais seguro, otimizado e, por conseguinte, cada vez mais viável economicamente. Este trabalho tem por objetivo apresentar uma metodologia para a previsão das grandezas atuantes sobre as bacias de dissipação por ressalto hidráulico, principalmente no tocante ao comportamento das pressões médias sobre a estrutura, das flutuações de pressão e das pressões extremas resultantes do escoamento, com a peculiaridade de tratar-se de ressaltos ditos submergidos, cujo número de trabalhos ainda é reduzido. Foram utilizados dados de modelo físico, concebido sob semelhança de Froude, comparados com dados obtidos com medições em escala real. Em linhas gerais a metodologia proposta, que consiste da utilização de adimensionalização dos parâmetros estudados ao longo do ressalto, mostrou se bastante eficaz na determinação dos esforços atuantes sobre a estrutura, bem como na comparação com o empreendimento na escala real. Verifica-se uma intensa influência da submergência nos parâmetros avaliados, de forma que se entende que sua influência deve ser considerada no projeto deste tipo de estrutura. / The present work was developed in the Programa de Pós Graduação em Recursos Hidrícos e Saneamento Ambiental of the Instituto de Pesquisas Hidráulicas of the Universidade Federal do Rio Grande do Sul, with support of CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior and Furnas Centrais Elétricas S.A. as part of a Research and Development (P&D) project entitled "Macroturbulence Analysis of Hydraulic Jump Stilling Basins". The dissipation of accumulated energy in the form of water head in dams (most often with the purpose of generating energy) is usually provided by the hydraulic jump formation at the base of the structure with the implantation of stilling basins. The hydraulic jump is an abrupt phenomena caused by a change from super-critical to sub-critical flow creating intense turbulence and air entrainment. The damages caused to energy dissipation structures through the years due to cavitation, resonance and fatigue indicate a need to thoroughly evaluate this phenomena, mainly by characterizing its macroturbulent flow parameters such us the pressure field. This way, it is possible to have safer, optimized and economically viable structures. This work presents a reliable methodology to establish the parameters of hydraulic jump stilling basins, mainly regarding the mean pressure, pressure fluctuations and extreme pressures of the flow in submerged hydraulic jumps. The bibliography found on this subject is reduced. Data from physical models using Froude similarity principle were compared with real scale measurements. The proposed methodology which consisted of using non-dimensional parameters along the hydraulic jump was very efficient to determine the active forces over the structure as well as comparing the structure in real scale. There is a high influence of the submergence in the evaluated parameters and this should be considered in designing this type of structures.

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.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2011. / Submitted by Ana Cristina Barbosa da Silva (annabds@hotmail.com) on 2014-10-09T18:09:12Z No. of bitstreams: 1 2011_MarianaVogtVolkmer.pdf: 3372332 bytes, checksum: a2c8f0145dfbedd33a5d4cc13b0813f1 (MD5) / Approved for entry into archive by Guimaraes Jacqueline(jacqueline.guimaraes@bce.unb.br) on 2014-10-14T15:31:25Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2011_MarianaVogtVolkmer.pdf: 3372332 bytes, checksum: a2c8f0145dfbedd33a5d4cc13b0813f1 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-10-14T15:31:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2011_MarianaVogtVolkmer.pdf: 3372332 bytes, checksum: a2c8f0145dfbedd33a5d4cc13b0813f1 (MD5) / Dentre os esforços atuantes em uma barragem, a determinação das pressões nas fundações causadas pelo fluxo de água consiste em um dos maiores problemas no que diz respeito a obras hidráulicas. Análises de percolação bidimensionais em fundações de barragens têm sido frequentemente realizadas assumindo que o corpo da barragem é impermeável e que o maciço de fundação é um meio homogêneo e isotrópico. Tais análises cada vez mais se distanciam dos maciços rochosos, por muitas vezes, encontrados nas fundações de barragens ora em construção no Brasil, as quais são localizadas em vales semi-encaixados e fundadas em maciços rochosos fraturados e muitas vezes intemperizados. Tanto os drenos, a posição das galerias de drenagem, a geometria do próprio barramento e a forma do vale, que condiciona a distribuição de tensões, em que se encontra fazem com que seja um problema de natureza tridimensional requerendo, portanto, uma simulação numérica equivalente. Dessa forma, essa pesquisa foi implementada com base na comparação de análises de estabilidade por métodos bidimensionais e tridimensionais, utilizando-se a Barragem de Serra do Facão como inspirador visto que se encontra com condições de carregamento essencialmente tridimensionais como a localização em um vale semi-encaixado, condicionando a distribuição de tensões, bem como assente sobre maciço rochoso fraturado. Além disso, a existência de instrumentação permitiu a realização de um mapeamento de subpressões atuantes e, assim, a comparação com valores de subpressão determinados de acordo com as metodologias tradicionalmente sugeridas. Com isso foi possível verificar a influência dos diferentes valores de subpressão nas análises de estabilidade bem como os efeitos benéficos da análise 3D na avaliação do fator de segurança. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT / Among the active stresses in dams, the determination of the uplift forces required for stability analyses is one of the biggest problems for the design of hydraulic dam structures. Usually two-dimensional analyses of seepage through concrete dam foundations assume continuous and isotropic conditions for the rock permeability. Such analysis is increasingly distant from the rock conditions found in dam foundations now under construction in Brazil, which are located in narrow valleys founded in fractured rock masses and often weathered. The drains, the position of the drainage galleries, the dam geometry itself and the shape of the valley, which determines the stress distribution, makes it a three-dimensional problem, which requires an equivalent numerical simulation. Thus, this research has been implemented based on the comparison of stability studies for two-dimensional and three-dimensional methods using Serra do Facão Dam as inspiring case-study, since it has essentially three-dimensional loading conditions and is located in a narrow valley, as well as based on fractured rock mass. Besides, the existence of piezometric instrumentation allowed the realization of a mapping of active uplift and the comparison with values of uplift pressure determined in accordance with the traditionally suggested methods. It was then possible to verify the influence of uplift pressure in the stability analysis and the beneficial effects of the 3D analysis in evaluating the factor of safety.

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.