O presente 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 com o apoio de Furnas Centrais Elétricas S.A., fazendo parte do Projeto de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) intitulado “Análise da Macroturbulência em Dissipadores por Ressalto Hidráulico”. O ressalto hidráulico é amplamente utilizado na dissipação de energia a jusante de obras hidráulicas, sendo o processo de dissipação associado à flutuação de velocidades, níveis e pressões. Devido aos danos causados às estruturas de dissipação de energia ao longo dos anos, em função de problemas atribuídos à fadiga, cavitação e ressonância, o entendimento do ressalto hidráulico como forma de dissipação de energia tem assumido papel importante. A caracterização do campo de pressões junto ao fundo de bacias de dissipação é de interesse prático para os projetistas de obras hidráulicas na busca de um dimensionamento eficiente e econômico. O presente trabalho tem o objetivo de avaliar o campo de pressões em ressalto hidráulico formado a jusante de uma comporta, propondo uma metodologia que permita estimar os valores de pressões extremas associadas a diferentes probabilidades de ocorrência e graus de submergência. Através das metodologias de adimensionalização utilizadas foi possível avaliar e quantificar os efeitos atribuídos à submergência sobre a distribuição longitudinal da pressão média, do desvio padrão e do coeficiente estatístico de distribuição de probabilidades (N), permitindo a implementação de uma metodologia de previsão de pressões para o ressalto hidráulico submergido. A metodologia proposta nesse trabalho se mostrou eficiente em suas previsões, apresentando, na maioria dos ensaios, diferenças relativas inferiores a 15% entre os valores verificados e os previstos pelo modelo para as probabilidades extremas referentes à posição de máxima flutuação de pressão. / This present work was developed at the Postgraduate in Water and Environmental Engineering of the Hydraulic Research Institute of Federal University of Rio Grande do Sul State being undertaken in collaboration with Furnas Centrais Elétricas S.A., as part of a Research and Development (R&D) project entitled “Macroturbulence Analysis of Hydraulic Jump Stilling Basins”. The hydraulic jump is widely used in energy dissipation downstream hydraulic works, being a process of dissipation associated to the fluctuations of velocity, water level and pressure. Due to the damage caused to energy dissipation structures through the years, by problems related to stress, cavitation and resonance, the understanding of the hydraulic jump as a form of dissipation has attained an important role. The characterization of the pressure fields in the bottom of stilling basins is of practical use to the designers of hydraulic works looking for efficient and economical dimensioning. The purpose of this is to evaluate the pressure field in a hydraulic jump downstream a sluice gate, proposing a methodology that allows evaluating extremes pressure values associated with the occurrence of different probabilities and different levels of submergence. Through the use of adimensionalisation methodologies it was possible to evaluate and quantify the effects attributed to the submergence on the longitudinal distribution of average pressure, standard deviation and the statistic coefficient of probability distribution (N), allowing the implementation of a pressure prediction methodology for the submerged hydraulic jump. The methodology proposed in this work was efficient in its predictions, presenting, in most tests, relative differences inferior to 15% between real values and estimated values expected by the model to extreme probabilities referring to the position of maximum pressure fluctuation.

O presente 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 com o apoio de Furnas Centrais Elétricas S.A., fazendo parte do Projeto de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) intitulado “Análise da Macroturbulência em Dissipadores por Ressalto Hidráulico”. O ressalto hidráulico é amplamente utilizado na dissipação de energia a jusante de obras hidráulicas, sendo o processo de dissipação associado à flutuação de velocidades, níveis e pressões. Devido aos danos causados às estruturas de dissipação de energia ao longo dos anos, em função de problemas atribuídos à fadiga, cavitação e ressonância, o entendimento do ressalto hidráulico como forma de dissipação de energia tem assumido papel importante. A caracterização do campo de pressões junto ao fundo de bacias de dissipação é de interesse prático para os projetistas de obras hidráulicas na busca de um dimensionamento eficiente e econômico. O presente trabalho tem o objetivo de avaliar o campo de pressões em ressalto hidráulico formado a jusante de uma comporta, propondo uma metodologia que permita estimar os valores de pressões extremas associadas a diferentes probabilidades de ocorrência e graus de submergência. Através das metodologias de adimensionalização utilizadas foi possível avaliar e quantificar os efeitos atribuídos à submergência sobre a distribuição longitudinal da pressão média, do desvio padrão e do coeficiente estatístico de distribuição de probabilidades (N), permitindo a implementação de uma metodologia de previsão de pressões para o ressalto hidráulico submergido. A metodologia proposta nesse trabalho se mostrou eficiente em suas previsões, apresentando, na maioria dos ensaios, diferenças relativas inferiores a 15% entre os valores verificados e os previstos pelo modelo para as probabilidades extremas referentes à posição de máxima flutuação de pressão. / This present work was developed at the Postgraduate in Water and Environmental Engineering of the Hydraulic Research Institute of Federal University of Rio Grande do Sul State being undertaken in collaboration with Furnas Centrais Elétricas S.A., as part of a Research and Development (R&D) project entitled “Macroturbulence Analysis of Hydraulic Jump Stilling Basins”. The hydraulic jump is widely used in energy dissipation downstream hydraulic works, being a process of dissipation associated to the fluctuations of velocity, water level and pressure. Due to the damage caused to energy dissipation structures through the years, by problems related to stress, cavitation and resonance, the understanding of the hydraulic jump as a form of dissipation has attained an important role. The characterization of the pressure fields in the bottom of stilling basins is of practical use to the designers of hydraulic works looking for efficient and economical dimensioning. The purpose of this is to evaluate the pressure field in a hydraulic jump downstream a sluice gate, proposing a methodology that allows evaluating extremes pressure values associated with the occurrence of different probabilities and different levels of submergence. Through the use of adimensionalisation methodologies it was possible to evaluate and quantify the effects attributed to the submergence on the longitudinal distribution of average pressure, standard deviation and the statistic coefficient of probability distribution (N), allowing the implementation of a pressure prediction methodology for the submerged hydraulic jump. The methodology proposed in this work was efficient in its predictions, presenting, in most tests, relative differences inferior to 15% between real values and estimated values expected by the model to extreme probabilities referring to the position of maximum pressure fluctuation.

O presente 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 com o apoio de Furnas Centrais Elétricas S.A., fazendo parte do Projeto de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) intitulado “Análise da Macroturbulência em Dissipadores por Ressalto Hidráulico”. O ressalto hidráulico é amplamente utilizado na dissipação de energia a jusante de obras hidráulicas, sendo o processo de dissipação associado à flutuação de velocidades, níveis e pressões. Devido aos danos causados às estruturas de dissipação de energia ao longo dos anos, em função de problemas atribuídos à fadiga, cavitação e ressonância, o entendimento do ressalto hidráulico como forma de dissipação de energia tem assumido papel importante. A caracterização do campo de pressões junto ao fundo de bacias de dissipação é de interesse prático para os projetistas de obras hidráulicas na busca de um dimensionamento eficiente e econômico. O presente trabalho tem o objetivo de avaliar o campo de pressões em ressalto hidráulico formado a jusante de uma comporta, propondo uma metodologia que permita estimar os valores de pressões extremas associadas a diferentes probabilidades de ocorrência e graus de submergência. Através das metodologias de adimensionalização utilizadas foi possível avaliar e quantificar os efeitos atribuídos à submergência sobre a distribuição longitudinal da pressão média, do desvio padrão e do coeficiente estatístico de distribuição de probabilidades (N), permitindo a implementação de uma metodologia de previsão de pressões para o ressalto hidráulico submergido. A metodologia proposta nesse trabalho se mostrou eficiente em suas previsões, apresentando, na maioria dos ensaios, diferenças relativas inferiores a 15% entre os valores verificados e os previstos pelo modelo para as probabilidades extremas referentes à posição de máxima flutuação de pressão. / This present work was developed at the Postgraduate in Water and Environmental Engineering of the Hydraulic Research Institute of Federal University of Rio Grande do Sul State being undertaken in collaboration with Furnas Centrais Elétricas S.A., as part of a Research and Development (R&D) project entitled “Macroturbulence Analysis of Hydraulic Jump Stilling Basins”. The hydraulic jump is widely used in energy dissipation downstream hydraulic works, being a process of dissipation associated to the fluctuations of velocity, water level and pressure. Due to the damage caused to energy dissipation structures through the years, by problems related to stress, cavitation and resonance, the understanding of the hydraulic jump as a form of dissipation has attained an important role. The characterization of the pressure fields in the bottom of stilling basins is of practical use to the designers of hydraulic works looking for efficient and economical dimensioning. The purpose of this is to evaluate the pressure field in a hydraulic jump downstream a sluice gate, proposing a methodology that allows evaluating extremes pressure values associated with the occurrence of different probabilities and different levels of submergence. Through the use of adimensionalisation methodologies it was possible to evaluate and quantify the effects attributed to the submergence on the longitudinal distribution of average pressure, standard deviation and the statistic coefficient of probability distribution (N), allowing the implementation of a pressure prediction methodology for the submerged hydraulic jump. The methodology proposed in this work was efficient in its predictions, presenting, in most tests, relative differences inferior to 15% between real values and estimated values expected by the model to extreme probabilities referring to the position of maximum pressure fluctuation.

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.

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.

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.

Este estudo trata da determinação de esforços hidrodinâmicos em dissipadores de energia por ressalto hidráulico, e tem por objetivo avaliar as distribuições de pressões junto ao fundo do canal, no interior de uma estrutura de dissipação de energia. Através da teoria de valores extremos bivariada, pretende-se fornecer subsídios para compreensão do processo de dissipação de energia no interior do ressalto hidráulico. Aplicaram-se métodos de análise bivariada de valores extremos para explorar a variabilidade e a dependência na distribuição longitudinal das pressões registradas ao longo do ressalto, bem como a ocorrência simultânea de valores extremos de pressão para probabilidades variando de 1% a 99%. Para isto, foram utilizados dados de pressão medidas na bacia de dissipação do vertedouro da UHE de Porto Colômbia. Na modelagem da estrutura de dependência entre os extremos foram considerados os modelos paramétricos e a estimação dos parâmetros realizada, em conjunto com o parâmetro de dependência, através do método de máxima verossimilhança. Dentre os seis modelos paramétricos avaliados, os que obtiveram melhor ajuste formam o Logístico e o Negativo Logístico, onde o Negativo Logístico destaca-se obtendo o melhor ajuste para a maioria dos casos. Observou-se, em geral, dependência para as séries de pressão situadas a montante do ressalto. Quando comparadas às estimativas conjuntas de valores de pressão, para uma dada probabilidade de ocorrência, com os valores medidos de pressão, estas mostraram-se adequadas apresentando erro médio geral de 11,9%, e erro médio em relação a energia de entrada de 7%. Os resultados deste estudo foram comparados com os obtidos por outros autores que realizaram a análise das séries de pressões da UHE de Porto Colômbia através da TVE univariada e um modelo empírico para estimar a ocorrência de valores extremos de pressões para uma dada probabilidade. / The present study evaluates the hydrodynamic stress during dissipation of energy in hydraulic jump. The objective is to evaluate the distributions of pressures the bottom of the channel (inside a structure for energy dissipation). Using the theory of bivariate extreme values, the present analysis aims to clarify the process of energy dissipation inside the hydraulic design. Methods of bivariate analysis of extreme values were applied to explore the variability and the dependence in the longitudinal distribution of the pressures registered along the hydraulic jump, as well as the simultaneous occurrences of extreme values of pressure for probabilities between 1% and 99% Data were collected in the dissipation basin of the spillways of Porto Colombia's hydroelectric power plant. In modelling the dependence structure among the extreme values, parametric models, and the estimate of the parameters accomplished were considered, together with dependence parameters, by the method of maximum likelihood. Among the six parametric models evaluated, the ones that were most fit were the Logistic and Logistic Negative, with the Logistic Negative standing out for obtaining the best adjustment for most of the cases. In general, statistical dependence occurs between pressure extremes upstream of the hydraulic jump. When the pressures for a given probability of occurrence, calculated from the bivariate extremes distribution, were compared with their observed frequency of occurrence, the mean difference was about 11,9%, and mean difference in relation to the entrance energy of 7%. The results of this study were compared with the ones obtained by other authors who made analysis of series of pressures from Porto Colombia's hydroelectric power plant through the theory of Univariate Extreme Values and an empiric model to estimate the occurrences of extreme values of pressures for a given probability.