Dimensionamento de Bueiros - Circular nº 5 do "Bureau of Public Roads"

Dimensionamento de bueiro segundo a Circular nº 5 do "Bureau of Public Roads"

A engenharia busca a melhor obra ao menor custo. Partindo dessa premissa, no caso dos bueiros, não há inconveniente no represamento ou aumento da profundidade do curso d'água a montante da obra, se isso for tecnicamente viável, em todos os seus aspectos (funcional, segurança, econômico e ambiental)

1. Dados Iniciais
   • Q - Vazão de projeto, ou vazão a escoar
   • L - Comprimento do bueiro
   • HWadm - altura do NA admissível na montante
   • n - coeficiente de Manning
   • I - declividade do bueiro
   • A - Área da seção transversal do bueiro
2. Seção Crítica - Serão necessários os valores para Qc, Vc, Ic, e dc, do escoamento crítico (ver escoamento no regime crítico)
   • dc - tirante crítico
   • Qc - vazão na condição de escoamento crítico (Fr=1)
   • Vc - velocidade do escoamento na condição de escoamento crítico (Fr=1)
   • Ic - declividade do bueiro para a condição de escoamento crítico (Fr=1)
3. Identificação das variáveis - para o dimensionamento, supondo controle de entrada e saída:
4. Suponha controle de entrada
   Controle de entrada significa que a capacidade de descarga do bueiro é controlada na sua entrada pela profundidade da água represada a montante (HW), pela geometria da boca de entrada e pela seção transversal do conduto
   Nesta condição:
   • K, M, Ks, Y, c em função do tipo do bueiro
   • LimInf, LimSup, Ku dependem do sistema de unidades de medida:
     • Sistema internacional (SI, métrico)
       • LimInf = 1.93
       • LimSup = 2.21
       • Ku = 1.811
     • Sistema Imperial (pés)
       • LimInf = 3.5
       • LimSup = 4.0
       • Ku = 1.0
   • QAD = Q / (A * D ^ 0.5)
   • Condição da Entrada
     • Não Submerso, se QAD ≤ LimInf
     • Submerso, se QAD ≥ LimSup, internamente o SWMM considera submerso se a lâmina for ≥ 95% da altura da seção
     • Transição, se LimInf < QAD < LimSup
   • HWDentrada, depende da condição da entrada:
     • Não Submerso
       • Eq - forma da equação, pode ser:
         • Eq = 1: HWDentrada = Hc / D + K * (Ku * Q / (A * D ^ 0.5)) ^ M + Ks * I
           Na verdade essa equação é mais fácil de ser calculada se fizer um cálculo iterativo:
           1. QescAD = Qesc / (A*D^0.5)
           2. arbitrar altura de escoamento (Lamina) entre 0 e 100% de D
           3. hLam = Lamina * D
           4. Calcular Am, Pm, B para hLam
           5. yh = Am / B
           6. QAD = Am / A * (g * yh / D) ^ 0.5
           7. Prosseguir iterativamente até que QAD = QescAD
           
           Onde:
           
           QAD corresponde a Q/(A*D^0.5) da equação na forma 1, quando Q=Qc (é confuso mesmo)
           Qesc é a vazão de projeto
           QescAD é a relação Q/(A*D^0.5) para Q=Qesc
           yh é a altura hidráulica para a altura h calculada
           note que hLam será a altura crítica, isto é o número de Froude=1, quando a iteração finalizar
           
           HcD = hLam + yh / (2 * D)
           
           Onde:
           HcD corresponde a Hc/D da equação na forma 1
           h e yh vieram do cálculo iterativo acima
           
           HWDentrada = K * (QescAD) ^ M + HcD + Ks * I
         • Eq = 2: HWDentrada = K * (Ku * Q / (A * D ^ 0.5)) ^ M
     • Submerso
       • HWDentrada = c * (Ku * Q / (A * D ^ 0.5)) ^ M + c + Ks * I
     • Transição
       Interpolar QAD na reta (LimInf,hwdInf) a (LimSup,hwdSup):
       • qEscInf = LimInf * A * D ^ 0.5
       • qEscSup = LimSup * A * D ^ 0.5
       • hwdInf = função(não submerso, qEscInf)
       • hwdSup = função(submerso, qEscSup)
       • HWDentrada = hwdInf + (QAD - LimInf) * (hwdSup - hwdInf) / (LimSup - LimInf)
   Onde:
   • Hc - altura específica na profundidade crítica
   • K, M, Ks, Y, c em função do tipo do bueiro (ver tabela Coeficiente de Entrada)
   • Ku - conversão de unidades
   • LimInf - limite inferior da relação (QAD = Q / (A * D ^ 0.5)) do escoamento não submerso com controle de entrada
   • LimSup - limite superior da relação (QAD = Q / (A * D ^ 0.5)) do escoamento submerso com controle de entrada
   • Eq - forma da equação de cálculo da relação HW/D para controle na entrada (HWDentrada)
   • HWDentrada - relação HW/D com controle na entrada
5. Suponha controle de saída
   O escoamento de bueiros com controle de saída pode ocorrer com o conduto total ou parcialmente cheio, em parte ou em todo o seu comprimento
   Considere:
   • dc, altura crítica, calcule iterativamente:
     1. arbitre dc=hLam entre 0 e D
     2. Calcule, Am, Pm, B para hLam
     3. yh = Am/Pm
     4. v = (g * yh) ^ 0.5
     5. Qcalc = v * Am
     6. Até que Qcalc = Qesc
   • ho = se ( TW >= D ; TW ; ( dc + D ) / 2 )
   • Ke = função do tipo de bueiro, ver tabela
   • H = (1 + Ke + (2 * g * n ^ 2 * L ) / ( Rh ^ (4 / 3) ) ) * V ^ 2 / ( 2 * g )
   • HWDsaida = H + ho - I * L
   Onde:
   • TW - altura da lâmina escoando no córrego, a jusante do bueiro
   • ho - altura piezométrica equivalente
   • Ke - coeficiente de perda de carga na entrada de estruturas
   • H - perda de carga na entrada
   • HWDsaida - relação HW/D com controle de saída
6. Adote o Maior HWD
   • Tipo de Controle = Se ( HWDentrada > HWDsaida ; entrada ; saída )
   • HWD = Máximo (HWDentrada, HWDsaida)
   • HW = HWD * D
   • V = função tipo de controle:
     • Saída:
       • hLam = função(TW, dc, D)
         • TW = D: hLam = D
         • dc < TW < D: hLam = TW
         • TW ≤ D: hLam = dc
       • Rh = Am / Pm
       • V = Rh ^ (2 / 3) * I ^ 0.5 / n
       Onde:
       • hLam - altura da lâmina de escoamento no final do bueiro
       • Am - área molhada para hLam
       • Pm - perímetro molhado para hLam
       • Rh - raio hidráulico
       • V - Velocidade na saída do bueiro
     • Entrada
       Funciona como canal, então:
       • arbitrar hLam até que Qcalc = Q
       • V = Rh ^ (2 / 3) * I ^ 0.5 / n
       • Qcalc = Am * V
       Onde:
       • hLam - altura da lâmina de escoamento arbitrado
       • Am - área molhada para altura de escoamento hLam
       • Pm - perímetro molhado para altura de escoamento hLam
       • Qcalc - vazão calculada para a altura hLam
       • V - velocidade do escoamento no final do bueiro
       • Q - vazão de projeto

O HY-8 usa os números do tipo de fluxo (tabela abaixo) para ajudar a definir como o fluxo de bueiro é calculado. Os números do tipo de fluxo são baseados nos números do tipo de fluxo USGS 1 a 6 (USGS 1968) suplementados com:

• Simplificação de HW = D para indicar submersão na entrada,
• Tipo de fluxo 7 para controle de saída com perfil M1 ou M2 (em breve no SOLIDOS) para a maior parte do bueiro com HW> D
• Indicadores de perfil de superfície de água padrão (S1, S2, M1, M2, H2 e H3, em breve no SOLIDOS) e
• Indicador de água residual (n, c, t e f, em breve no SOLIDOS) para normal, crítico, água residual e cheia

• Tipo de Fluxo USGS 1 (controle de entrada) - A Figura 3.25 mostra o tipo de fluxo 1 com água residual maior que profundidade crítica (S1t). Para este caso, uma curva S1 é calculada e usada se a curva S1 se estender para a cara do bueiro. Se a curva S1 atinge a profundidade crítica, um S2 é calculado e em comparação com a curva S1. Se a profundidade sequente para o S2 corresponder ao S1 dentro do bueiro, um código JFt será mostrado e a velocidade de saída será baseada na água residual. Se o sequente profundidade não é alcançada dentro do bueiro, o salto é assumido como varrido e um S2 é usado para calcular a velocidade de saída (S2n). Se a água residual for maior do que D, o barril flui cheio no fim, S1f é mostrado se S1 se estende até a entrada. Se o S1 atingir o ponto crítico, o código JFf será mostrado para indicar que a curva S2 salta para fluxo total no bueiro
  
  
• Tipo de Fluxo USGS 5 (controle de entrada) - A Figura 3.26 mostra o tipo de fluxo 5 com água residual menor que profundidade crítica (S2n). Se o Tailwater (TW) for maior do que a profundidade crítica, uma curva S1 é calculada e usado se a curva S1 se estender até a face do bueiro. Se a curva S1 atingir o ponto crítico profundidade, um S2 é calculado e comparado com a curva S1. Se a profundidade sequente para o S2 corresponde ao S1 dentro do bueiro, um código JFt será mostrado e a velocidade de saída será baseada no tailwater. Se a profundidade sequente não for alcançada dentro do bueiro, o salto é assumido para ser varrido e um S2 é usado para calcular a velocidade de saída. Se a água residual for maior do que D, o o bueiro flui cheio no final (S1f) é mostrado se S1 se estende até a entrada. Se o S1 atingir crítico, o código JFf será mostrado para indicar que a curva S2 salta para fluxo total no bueiro.
  
  
• Tipo de Fluxo USGS 2 (controle de saída) - A Figura 3.27 mostra o tipo de fluxo 2 com água residual mais baixa do que profundidade crítica. Para este caso (M2c), uma curva M2 é calculada começando na profundidade crítica no saída.
  
  
• Tipo de Fluxo USGS 3 (controle de saída) - A Figura 3.28 mostra o tipo de fluxo 3 com água residual maior que profundidade crítica. Para este caso (M1t), uma curva M1 é calculada começando na profundidade da água residual na saída.
  
  
• Tipo de Fluxo USGS 4 e 6 (controle de saída) - A Figura 3.29 mostra o tipo de fluxo 6 com água residual profundidade maior do que crítica. Para este caso (FFt), o barril flui cheio na maior parte de seu comprimento. Uma curva M2 é calculada começando na saída para determinar o comprimento do bueiro que irá fluir completamente. A profundidade de saída é a água residual para o caso FFt e é uma profundidade crítica para o caso FFc. Para tipo de fluxo 4, a água residual é mais alta do que a coroa do bueiro na saída e o barril flui cheio (FFf)
  
  
• Tipo de Fluxo USGS 7 (controle de saída) - A Figura 3.30 mostra o tipo de fluxo 7 com água residual inferior profundidade crítica. Para este caso (M2c), o barril flui cheio em parte de seu comprimento. Uma curva M2 é calculado a partir da saída para determinar o comprimento do bueiro que irá fluir completamente. Saída profundidade é a profundidade da água residual para o caso M2t e é a profundidade crítica para o caso M2c. Se o tailwater é maior do que a profundidade normal (M1t), um perfil M1 é calculado