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COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXIX SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS PORTO DE GALINHAS – PE, 08 A 11 DE ABRIL DE 2013

T 109 – A 27

XXIX Seminário Nacional de Grandes Barragens 1

TÉCNICAS DE LABORATÓRIO PARA ESTUDOS EM MODELO REDUZIDO

Winston Hisasi KANASHIRO Consultor – Fundação Centro Tecnológico de Hidráulico

José Carlos de Melo BERNARDINO

Coordenador da Modelação Hidráulica – Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica

Marcos Hideyoshi FUDIMORI Engenheiro Civil – Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica

Bruno PECINI

Engenheiro Ambiental – Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica

RESUMO A técnica de utilização de modelos físico reduzidos é uma ferramenta para estudos da interação do escoamento com estruturas hidráulicas de geometrias complexas. Sendo utilizada para otimização de projetos e solução de problemas que possam vir a ocorrer durante ou após o andamento da obra, problemas estes muitas vezes insolúveis através de equacionamentos numéricos. Este trabalho visa exemplificar duas situações nas quais utilizaram-se o modelo físico reduzido na fase de projeto e na solução de imprevistos operacionais durante a obra, visando a segurança e otimização da mesma.

ABSTRACT The technique of using reduced physical models is a tool to study the interaction of the flow of hydraulic structures with complex geometries. Being used to optimize designs and solve problems that may occur during or following the progress of the work, these problems often insoluble through numerical equations. This paper aims to illustrate two situations in which we used the model reduced the physical design phase and solving unforeseen operational during construction, seeking safety and optimization of same.


1. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS

A modelação física constitui uma ferramenta poderosa para estudos de escoamentos em estruturas hidráulicas e também para otimizar o formato dessas estruturas e o seu uso foi consagrado através de incontáveis obras, cujos comportamentos foram previstos com precisão muito melhor por meio de uso desses modelos.

A representação de um fenômeno por meio de modelos é baseada em leis de semelhança e, para a correta modelação, é necessário que seja representado o fenômeno em questão, de forma confiável.

Via de regra, as estruturas representadas possuem semelhança geométrica, resultando em princípio que basta que tenha semelhança para que se possa obter os resultados esperados e, para a representação do fenômeno e obter os resultados esperados, é necessário o conhecimento do mecanismo que o rege.

É necessário, portanto, construir o modelo físico com essa finalidade e, para isto, é imprescindível a criatividade.

São apresentados neste trabalho, os casos do Projeto Hidrelétrico San Francisco e da UHE Campos Novos.

No caso do PH San Francisco, foram representados no modelo físico, os escoamentos no emboque do túnel com chaminé de equilíbrio, que impunha escoamentos variados no tempo nos dois sentidos, devido à oscilação de massa.

Já no estudo da UHE Campos Novos que teve como objetivo a verificação da vedação, foram representados em modelo reduzido o emboque do túnel de desvio e a fenda que possibilitou o fluxo de vazamento.

2. PROJETO HIDRELÉTRICO SAN FRANCISCO

O Projeto Hidrelétrico de San Francisco está localizado no Equador, a jusante da Usina Hidrelétrica Agoyán, no Rio Pastaza. A sua alimentação se faz através das águas efluentes das turbinas da Usina Agoyán. Basicamente, a água é aduzida através de um túnel de aproximadamente 11 km de extensão, no final do qual existe uma chaminé de equilíbrio, de onde partem os condutos forçados para as turbinas. No emboque desse túnel de adução, foi projetado um vertedor lateral para verter as vazões existentes, seja através dos excessos provenientes de Agoyán ou por operações nas turbinas da Usina Hidrelétrica de San Francisco.

O modelo matemático apresenta resultados precisos para representar os escoamentos transitórios em todos os órgãos citados, com a condição de os coeficientes de cada um desses componentes sejam conhecidos com precisão. No caso de vertedores laterais, os coeficientes são de difícil determinação e este fato é agravado pela presença de escoamento variado, tanto em nível, como no seu


sentido, ora entrando, ora saindo do túnel, deixando muitas dúvidas na sua representação.

Os estudos em modelo reduzido tiveram por finalidade realizar os estudos referentes ao vertedor lateral, a sua descarga no Rio Pastaza e o reflexo no emboque do túnel do comportamento do escoamento transitório nas turbinas, através de oscilações de massa proporcionada pela chaminé de equilíbrio.

Para a correta representação do escoamento no emboque do túnel, foi necessária a representação das vazões tanto no sentido normal como no sentido contrário, ambos em regime variado no tempo.

As vazões foram obtidas da modelação matemática efetuada pela PCE e estas impostas no modelo físico, para se obter os níveis na câmara de carga.

Foi representado no modelo reduzido o vertedor lateral, a parte denominada câmara de interconexão, o túnel de descarga, trecho do rio na sua extremidade e um trecho equivalente a aproximadamente 400 m do túnel de condução. O modelo foi construído na escala 1:25 na semelhança de Froude. A parte representada no modelo está esquematizada na Figura 1.

FIGURA 1 - Arranjo geral do modelo e vista geral do modelo.

2.1 DESCRIÇÃO DO MODELO

Para a simulação dos escoamentos em regime transitório que se manifestam durante as ocorrências da rejeição e da aceitação de carga nas turbinas, foram instaladas no modelo 2 válvulas de controle de vazão. A primeira válvula (válvula 1) foi instalada no final do trecho do Túnel de Condução representado e, através de sua operação (fechamento ou abertura), serão simulados os transitórios decorrentes dos eventos de rejeição ou aceitação de carga nas turbinas. A segunda válvula (válvula 2) foi instalada numa tubulação montada perpendicularmente ao Túnel de Condução, que intercepta este Túnel numa seção localizada 37,5 m a jusante da Câmara de Interconexão. Esta válvula 2 alimentará o modelo representando a vazão negativa no Túnel (sentido jusante-montante), liberada pela chaminé de equilíbrio durante a rejeição de carga. As duas válvulas funcionam como válvulas tipo “gaveta”, sendo previamente calibradas e funcionarão de maneira sincronizada,


através de um guia (gabarito) que se movimentará horizontalmente com a ajuda de um motor hidráulico-mecânico. O sistema que forma o complexo hidrelétrico de San Francisco é composto por uma Câmara de Interconexão, seguido por um túnel com 11 km de extensão, uma chaminé de equilíbrio na sua extremidade, o conduto forçado, a casa de força e a sua restituição. A representação total do sistema em modelo reduzido seria impraticável, dada a extensão do túnel e, para a representação dos escoamentos durante a ocorrência de fenômenos transitórios tais como rejeição e retomada de carga, foi representado um trecho do túnel com aproximadamente 100 m de extensão e as evoluções das vazões foram impostas através de manobras de válvulas. Foram realizados ensaios de rejeição total de carga, aceitação de carga e rejeição total seguida de aceitação de carga, tendo sido medidas as evoluções de níveis d’água na Câmara de Interconexão em dois pontos, para cada um destes ensaios realizados. A válvula 1 foi instalada no modelo numa distância de aproximadamente 100 m (em valor de protótipo) da Tomada d’Água do Túnel de Condução. Este posicionamento acarreta uma pequena imprecisão no estudo, pois os dados de vazão fornecidos pela PCE se referem à seção da Tomada d’Água, porém, apresenta o aspecto favorável de não impor escoamento na Tomada com seção estrangulada pela válvula (constituída de comporta vertical plana), o que poderia provocar alguma interferência nas condições de escoamento no interior da Câmara de Interconexão. Através da operação (fechamento ou abertura) da válvula 1, foram simulados os transitórios decorrentes dos eventos de rejeição ou aceitação de carga nas turbinas. A válvula 2 alimenta o modelo representando a vazão negativa no Túnel (sentido jusante-montante), liberada pela chaminé de equilíbrio durante a rejeição de carga. As duas válvulas foram previamente calibradas e funcionam de maneira sincronizada, através de um guia (gabarito) que se movimenta horizontalmente com a ajuda de um motor hidráulico-mecânico, conforme descrito a seguir. Conhecendo-se a vazão na Tomada d’Água do Conduto de Adução e o nível d’água na Câmara de Interconexão para cada instante, a abertura da válvula pode ser especificada de tal forma que, para cada instante correspondente, possua abertura para representar essas condições. Para execução dos cálculos das aberturas, foi efetuada previamente uma campanha de ensaios de calibração das válvulas, para determinação das relações Abertura x Vazão x Carga Hidráulica e dos seus coeficientes de vazão. Para cada caso a ser estudado, foram determinadas as aberturas em função do tempo e, a partir destes valores, foram confeccionados os mencionados gabaritos em chapas de acrílico. Os gabaritos preparados foram instalados num dispositivo que, acoplado ao motor hidráulico-mecânico, permite o seu deslocamento horizontal e o resultante deslocamento vertical de uma haste conectada à comporta da válvula. A Figura 2 mostra esquematicamente o dispositivo utilizado. A velocidade de deslocamento horizontal do gabarito foi calibrada através de um dispositivo de controle localizado


no motor, de modo a se executar as manobras obedecendo aos intervalos de tempo especificados.

FIGURA 2 – Gabarito e mecanismo para movimentação das válvulas.

Para a sincronização dos deslocamentos dos 2 gabaritos utilizados (um para cada válvula), os mesmos foram interligados através de uma barra rígida conforme ilustrado no esquema da Figura 3.

FIGURA 3 - Vista geral do sistema para acionamento das Comportas, válvula para vazões no sentido normal e válvula para vazões invertidas.

O registro da movimentação das válvulas e de níveis d’água foi efetuado através do sistema de aquisição e análise de dados “Aqui3”, desenvolvido pela FCTH - Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica.


2.2 RESULTADOS OBTIDOS As figuras a seguir ilustram dois casos ensaiados. O primeiro, Figuras 4 e 5 rejeição total de cargas e o segundo, Figuras 6 e 7, aceitação de cargas.

Os dizeres nessas figuras possuem os significados:

PC mont.: ponta capacitiva na câmara, posição à montante;

PC jus.: ponta capacitiva na câmara, posição à jusante;

Válv.Ret.: válvula para alimentar o escoamento inverso do Túnel;

Desloc.Horiz.: deslocamento do servomotor hidráulico;

Válv. Jus.: Válvula de jusante, para simular os escoamentos normais do Túnel

de Condução

CASO 5 -- Rejeição de Carga -- NA inicial = 1494,50 m -- Vazão de Agoyán constante = 116 m³/s

-50

0

50

100

150

200

0 500 1000 1500 2000 2500

Tempo (s)

Va

zã

o (

m³/

s)

1488

1489

1490

1491

1492

1493

1494

1495

1496

1497

1498

Nív

el

d'Á

gu

a n

a C

ha

min

é (

m)

Vazão Turbinada Vazão na Tomada d'Água Vazão Vertida na Câmara Nível d'Água na Câmara (m)

FIGURA 4 – Vazões e níveis obtidos da modelação matemática para rejeição total de cargas.


P.H. San Francisco - Transitórios - Câmara

1494.00

1494.50

1495.00

1495.50

1496.00

1496.50

1497.00

1497.50

1498.00

1498.50

1499.00

0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 1200.0 1400.0 1600.0 1800.0

Tempo (s)

Co

ta d

e N

.A.

(m)

-5.00

-4.50

-4.00

-3.50

-3.00

-2.50

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

Po

siç

ão

da

s V

álv

ula

s

PC mont PC jus Válv.Ret. Desloc.Horiz Válv.Jus.

FIGURA 5 – Níveis na câmara, para a rejeição total de cargas.

CASO 6 -- Aceitação de Carga -- NA inicial = 1497,62 m -- Vazão de Agoyán constante = 116 m³/s

-50

0

50

100

150

200

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Tempo (s)

Va

zã

o (

m³/

s)

1488

1489

1490

1491

1492

1493

1494

1495

1496

1497

1498

Nív

el

d'Á

gu

a n

a C

ha

min

é (

m)

Vazão Turbinada Vazão na Tomada d'Água Vazão Vertida na Câmara Nível d'Água na Câmara (m)

FIGURA 6 – Vazões e níveis obtidos da modelação matemática para aceitação de cargas.


P.H. San Francisco - Transitórios - Câmara

1490.00

1491.00

1492.00

1493.00

1494.00

1495.00

1496.00

1497.00

1498.00

1499.00

1500.00

0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 1200.0 1400.0 1600.0 1800.0

Tempo (s)

Co

ta d

e N

.A.

(m)

-5.00

-4.50

-4.00

-3.50

-3.00

-2.50

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

Po

siç

ão

da

s V

álv

ula

s

PC mont PC jus Válv.Ret. Desloc.Horiz Válv.Jus.

FIGURA 7 – Níveis na câmara, para aceitação de cargas.

3. UHE CAMPOS NOVOS

A Usina Campos Novos foi construída no Rio Canoas, em Santa Catarina, será capaz de gerar 880.000 kW de potência e é de propriedade de Campos Novos Energia S/A.

O desvio do rio foi realizado através de 2 túneis de seção arco-retângulo, com 12 m de largura e 14 m de altura e cada um dos túneis possui no seu emboque, três comportas com 4 m de largura e 14 m de altura.

Estas comportas foram construídas com a finalidade de fechar os túneis para proporcionar o enchimento do reservatório.

A operação de fechamento das comportas foi bem sucedida e teve início o processo de enchimento do reservatório.

Entretanto, conforme relato da Camargo Corrêa, na tarde do dia 20 de outubro de 2005, durante uma operação de salvamento de peixes por um grupo de operários, ocorreu um estrondo no túnel 2 e houve um acréscimo súbito de vazão, acompanhado de intensa agitação superficial.

Análises e investigações posteriores levaram à conclusão de que a causa seria a queda de uma peça confeccionada em concreto pré-moldado, destinada ao encosto da parte superior da comporta, precisamente do vão esquerdo do túnel 2, formando uma fenda com aproximadamente 4 m de comprimento por 0,30 m de largura.

A profundidade do reservatório até estas comportas era da ordem de 150 m, o que induzia velocidades do escoamento próximas de 200 km/h. Como agravantes, a água era completamente turva, com visibilidade de cerca de 20 cm (centímetros) e a


entrada do poço das comportas, situada cerca de 30 m acima das comportas, ou seja, 120 m abaixo da superfície da água e, neste local, com a finalidade de prender a haste da comporta, existiam duas vigas metálicas atravessando o poço.

Para a vedação dessa fenda, foi idealizada pela empresa CNEC – Consórcio de Engenheiros Consultores S.A., peças de formato de prisma triangular vazada, construídas de aço, lançadas por meio de cabos de aço acionados por guinchos. O direcionamento seria feito pelo próprio escoamento, até o seu posicionamento final sobre a fenda.

Devidas às dificuldades e incertezas, tanto nos esforços, como também no comportamento dinâmico dos aparatos e dos seus cabos de sustentação durante a operação de lançamento, fez-se necessária a realização de estudos em modelo reduzido para verificação e análise destes aspectos.

São apresentados neste trabalho, as etapas de construção do modelo e os resultados dos ensaios realizados. A Figura 8 a seguir mostra a peça básica a ser lançada e o seu “encaixe” na fenda.

FIGURA 8 – Vista tridimensional do artefato proposto para a vedação (esq.) e a sua posição de encaixe na fenda.

3.1. ESTUDOS EM MODELO REDUZIDO

Os ensaios tiveram por finalidade analisar o comportamento das peças durante o seu lançamento, avaliar a vazão pela fenda e estimar os esforços hidrodinâmicos a que seriam submetidos, durante as várias fases do processo, desde a sua colocação no poço da comporta, até o seu encaixe final na fenda. Além disso, os ensaios objetivaram também estabelecer a seqüência de lançamento das diversas peças previstas e verificar os tipos de material vedante a serem utilizados e verificar a eficiência da captura pelas peças de pedaços de borracha a serem lançados.

Para tal, é necessário que no modelo fossem representadas corretamente as linhas de corrente nas proximidades da fenda e, para atingir este objetivo, as dimensões do modelo devem ser tais que os efeitos de viscosidade sejam desprezáveis, não


sendo necessário, entretanto, que a tomada d’água seja representada por completo e nem tampouco a altura total.

Para que os efeitos de viscosidade sejam desprezáveis, é necessário que o número de Reynolds seja superior a 10.000 e, para que o escoamento adquira a conformação final, é necessário que o comprimento do duto seja maior que aproximadamente de 10 vezes o seu diâmetro. Ou seja, no caso da altura do modelo, é necessário que a sua altura seja maior que aproximadamente de 10 vezes a largura maior do poço da comporta, sendo que este comprimento poderá ser verificado no modelo, através da observação das linhas de corrente, por meio de injeção de corantes, por exemplo.

Os esforços hidrodinâmicos podem ser calculados através de:

2..2

1. VACdFd (1)

Sendo:

Fd = força de arraste;

Cd = coeficiente de arraste, que depende do formato do corpo, meio fluido e velocidade do escoamento;

=massa específica do fluido;

A =área da seção transversal da peça em relação ao escoamento;

V = velocidade do escoamento.

O coeficiente de arraste, para regime turbulento, assume valor aproximadamente constante. Desta forma, é possível estimar os esforços no protótipo a partir das medições realizadas no modelo, apesar da sua altura não ter sido representada na sua totalidade.

Da mesma forma, a conformação das linhas de corrente não sofrem modificações a partir de determinada altura do modelo.

Em pontos homólogos, pode-se afirmar que, em regime turbulento, os coeficientes de arraste entre dois corpos geometricamente semelhantes, são aproximadamente iguais.

Para dois corpos iguais em pontos homólogos, num mesmo fluido:

2

11 ..2

1. VACdFd (2)

2

22 ..2

1. VACdFd (3)

A relação entre os esforços é dada por: 2

2

1

2

1

V

V

Fd

Fd (4)

Como, pela equação da continuidade, a vazão Q é dada pelo produto da área da seção por

onde escoa o fluido pela velocidade nessa seção, a relação entre os esforços resulta:


2

2

1

2

1

Q

Q

Fd

Fd (5)

Como as linhas de corrente possuem conformação semelhante, o coeficiente de vazão também deverá ter o seu valor aproximadamente constante, a partir de uma determinada cota de nível de água de montante da fenda.

Desta forma, as vazões também podem ser estimadas, a partir das medições realizadas no modelo, apesar de este não estar representando toda a altura geométrica do reservatório.

Portanto, mesmo a altura do nível d’água do reservatório não tendo sido representado no modelo, é possível estimar com precisão, os valores dos esforços e de vazões medidos no modelo, bem como avaliar o comportamento dinâmico das peças durante a fase de lançamento.

Inicialmente, estava prevista para o modelo reduzido, a escala geométrica 1:30. Entretanto, devida à dificuldade de confecção da peça de vedação, foi adotada a escala 1:10.

O modelo foi construído na escala 1:10, com as seguintes dimensões e escalas principais:

Largura máxima do modelo B = 0,60 m

Comprimento máximo do modelo L = 1,50 m

Altura total do modelo A = 2,70 m

Carga máxima sobre a fenda H = 2,30 m

Escala geométrica 1:10

Escala de velocidades 1:8,128

Escala de vazões 1:812,8

Escala de esforços dinâmicos 1:6607

Estas escalas foram definidas através dos procedimentos explanados a seguir.

A vazão estimada no protótipo era de 45 m³/s, enquanto que a medida no modelo, de 55,4 L/s, resultando na escala de vazões de 1:812,8 e a escala de velocidade, de 1:8,128.

A escala de força pode ser calculada pela equação (6):

2

2

1

2

1

Q

Q

Fd

Fd (6)

Resultando na escala de força de 1:6.607.

A partição de vazões entre o poço da comporta e a parcela proveniente da própria tomada d´água foi estimada pela CNEC Engenharia S.A. como sendo de aproximadamente de 80% pelo poço.

O número de Reynolds, dentro do poço da comporta era da ordem de 200.000 no modelo.


O modelo foi construído em acrílico, tendo sido representado um dos vãos da comporta (vão esquerdo). Foi representada a fenda, altura do túnel equivalente a 2,50 m, o poço e as ranhuras da comporta, a comporta com a altura condizente à altura do túnel representado e, ao invés do poço das comportas ensecadeira e do lago, estes foram substituídos por um outro poço, separados do poço da comporta por um espaçador também construído em acrílico, equivalente a 2,50 m (a distância entre o poço da comporta e o das comportas ensecadeira é de 1,30 m) e esta distância foi adotada para garantir a horizontalidade do fluxo vinda da tomada d´água, uma vez que o escoamento pelo poço das comportas ensecadeira seria desprezível.

A altura total representada no modelo foi de 2,30 m, equivalente a 23 m no protótipo.

O modelo é apresentado, de forma esquemática e com as dimensões representadas na Figura 8.

FIGURA 8 – Esquema geral do modelo, com as suas principais dimensões (em m, valores de protótipo).


FIGURA 9 – Esquema geral do modelo.

Os ensaios tiveram por finalidade verificar os aspectos de escoamento na fenda e proximidades, poço da comporta e partição de vazão e do lançamento das peças. Estes objetivos estão listados a seguir:

Verificação da partição de vazão entre o poço da comporta e o escoamento

por montante;

Influência das ranhuras laterais do poço da comporta nas linhas de corrente

do escoamento que desce pelo poço e sofrem deflexões na direção da fenda,

nas suas proximidades;

Verificar os aspectos das linhas de corrente nas proximidades da fenda, sob

as influências dos escoamentos por montante, do poço da comporta,

ranhuras laterais e da comporta;

Verificar os esforços hidrodinâmicos nas peças ao longo do seu curso, até o

seu posicionamento final na fenda;

Otimização do formato das peças, em relação à estabilidade e possibilidade

de enrosco na haste da comporta e nos cabos de outros artefatos já

lançados;

Otimização de procedimentos para que os artefatos se encaixem na fenda;

Escolha dos materiais vedantes a serem lançados;

Otimização de lançamento dos materiais vedantes;

Avaliação na redução da vazão após cada etapa de lançamento (artefato e

sua vedação);

Otimização da forma e de dimensões dos artefatos menores, a serem

lançados nas etapas finais do fechamento.

Para analisar o comportamento dinâmico das peças sob a ação do escoamento, é necessário que sejam representados os pesos submersos das peças lançadas, bem como levar em conta a flexibilidade dos cabos.


Para possibilitar a análise do comportamento dinâmico, foram confeccionadas peças em acrílico, pelo fato da peça feita em latão apresentar peso equivalente consideravelmente superior ao do protótipo. Para estes ensaios, foram utilizados, para a definição final, cordas de nylon com 1/8” (3,18 mm) de diâmetro.

Quanto às alternativas, foram ensaiadas as seguintes:

Peça central: 3, feitas de madeira;

Peça de comprimento 1,45 m: 2, uma feita de latão e outra, de acrílico;

1 peça de comprimento 1,05 m, de acrílico;

1 peça de comprimento 0,55 m, de acrílico;

3 peças de comprimentos 0,25 m, de acrílico.

Os ensaios foram realizados com as peças presas em cabos de aço de 1,5 mm de diâmetro e cordas de nylon com 3 mm de diâmetro.

Para a vedação, foram realizados ensaios com pedaços de borracha provenientes de uma câmara de ar de pneu de automóvel, cortados em formato retangular com tamanho aproximado de 2 a 3 cm de lado.

Foram realizados também ensaios de lançamento de manta de borracha com dimensões aproximadas do artefato de 1,45 m, com diversos formatos e de pedaços de borracha de retangulares de 2 a 3 cm de lado presos por arame e barbante, lançados presos ao cabo de sustentação do artefato.

As vazões foram medidas por meio de um vertedor retangular colocado a jusante do modelo e os níveis d’água, por meio de uma régua.

Os esforços foram medidos por meio de uma célula de carga previamente aferida, que relaciona uma diferença de potencial com o esforço na célula. Os dados foram aquisitados e processados por meio de um sistema composto por um micro-computador, conversor analógico/digital e programa computacional Aqui3, desenvolvido pela FCTH com esta finalidade. Os esforços foram aquisitados com freqüência de digitalização de 50 Hz e tempo de aquisição de 60 s. A relação de calibração foi de 1 V = 1 kgf.

As peças foram pesadas por meio de uma balança eletrônica, com precisão de 0,01 g.

3.2. ENSAIOS PROPRIAMENTE DITO

As peças foram pesadas com balança eletrônica com precisão de 0,01g e foram obtidos os seguintes resultados:

1,45 m, de latão, com cabo de aço de 1/16” (1,59 mm) de diâmetro: 521,88 g;

1,45m, de acrílico: 63,74 g;







Corda de nylon, 1/8” de diâmetro (3,18 mm): 3,24 g;

Barra de acrílico: 153,28 g (15 mm x 52 mm x 25 mm).

A massa específica do latão é de aproximadamente 8.200 kg/m3 e a de acrílico, 1.190 kg/m3.

Foi informado pela Construções e Comércio Camargo Corrêa S.A. que a peça metálica de 1,45 m pesa 255 kgf e o seu peso submerso foi calculado em 220 kgf.

Como a escala de força é de 1:6607, o peso submerso do artefato deveria ser, no modelo, de 33,3gf.

A peça confeccionada em latão tem o seu peso submerso de 457 gf, ou seja, 12.700 % superior ao que deveria ser, enquanto que o peso submerso do artefato de acrílico de 1,45 m é de 8,42 g, inferior ao que deveria ser. Para corrigir este efeito, foram adicionados lastros de latão, presos no guia e, com essa configuração, a peça passou a pesar 32 g, valor um pouco inferior ao preconizado.

As peças menores também tiveram adição de lastros, em comprimentos proporcionais.

A peça confeccionada em latão, pelo fato de ter o seu peso significativamente maior, conferia, durante os ensaios um comportamento cuja estabilidade não seria representativa no protótipo, devida à sua inércia. Da mesma forma, os cabos de aço, utilizados nos ensaios iniciais, seriam demasiadamente rígidos, mascarando os efeitos da tendência dos cabos enrolarem na haste da comporta e, por este motivo, foram substituídos por cordas de poliéster trançados, para os ensaios de lançamento.

As peças são apresentadas na Figura 10 a Figura 18.

FIGURA 10 – Conjunto de todas as peças ensaiadas: 0,55 m, 0,25 m, 0,25 m, 1,05 m, 1,45 m de madeira, 1,45 m de acrílico, 1,45 m de latão, peça central de madeira,

1,45 m madeira e peça central de madeira.


Os ensaios foram efetuados, obedecendo as seguintes fases:

1 – Caracterização geral do escoamento;

2 – Ensaios de lançamento dos artefatos e das vedações;

3 – Ensaios de medição de esforços.

Os ensaios de caracterização do escoamento tiveram por finalidade verificar os aspectos qualitativos: representação adequada das linhas de corrente, partição de vazões, comportamento dinâmico dos artefatos dentro do escoamento e os demais aspectos gerais do escoamento que serviram como ensaios preliminares e também para verificar a adequabilidade do modelo.

Os ensaios de lançamento foram realizados com o objetivo de estabelecer a seqüência ideal de lançamento dos aparatos e das suas vedações, já definidos pelos pedaços de borrachas de 2x2 cm (valores de modelo) nos ensaios iniciais, além de verificar se as peças passariam pela entrada do poço das comportas. Estes últimos foram realizados em um modelo à parte e verificou-se que as peças passariam pelos obstáculos da entrada para qualquer caso e, desta forma, os ensaios foram concentrados no lançamento, dentro do poço.

Estes ensaios foram feitos com as peças confeccionadas em acrílico (com exceção da peça central, confeccionada em madeira), presas por corda de nylon de 1/8´´. As peças foram: central (de madeira), de 1,45 m, 1,05 m, 0,55 m e duas peças de 0,25 m e foram utilizadas nas seguintes etapas:

1. Lançamento da peça número 1, central, no lado direito hidráulico (foram

realizados vários lançamentos para verificar o seu comportamento médio: a

peça se encaixa quase sempre numa posição próxima do centro, sobre um

dos olhais e sempre ocorre enrolamento do seu cabo de sustentação na

haste de içamento da comporta, o que contribuiu também para que o seu

encaixe ocorresse sempre próximo da posição central). A vazão, que

inicialmente era de 50 m3/s, passou para 41,6 m³/s.

2. Lançamento da peça número 2, de 1,45 m, pelo lado esquerdo hidráulico, isto

é, do lado oposto ao do lançamento da peça central. A peça, ao descer,

sofreu oscilações, descendo pela ranhura da comporta e encaixou

perfeitamente, indicando que, uma vez lançada a peça central, a segunda

será fortemente dirigida para a sua posição correta. Ocorreu uma redução na

vazão da ordem de 2,0 m³/s.

3. Lançamento de 200 pedaços de pneus de caminhão fora de estrada, com

dimensões correspondentes a 20x20 cm, sendo retido na peça cerca de 20

%. A vazão caiu para 36,5 m3/s;

4. Lançamento da peça número 3, de 1,05 m, no lado direito. Com a diminuição

da vazão e consequentemente da velocidade de escoamento, a peça desceu

de forma mais suave, indo encaixar também perfeitamente na fenda;


5. Lançamento de pedaços de pneus de caminhão fora de estrada. A vazão

reduziu para 33 m3/s;

6. Ao final desta etapa, restaram as seguintes aberturas, da esquerda para

direita: 0,15 m, 0,20 m, 0,55 m e 0,05 m. Foi feito lançamento da peça de 0,55

m que, embora tenha atingido o local correto, não se encaixou pelo fato das

borrachas de vedação se projetaram para fora das outras peças. Esta peça

foi retirada e partiu-se para o lançamento das de 0,25 m;

7. Lançamento da peça número 4, de 0,25 m. A peça desceu suavemente e

encaixou perfeitamente;

8. Lançamento de pedaços de pneus de caminhão fora de estrada;

9. Lançamento da peça número 5, de 0,25 m. A peça desceu suavemente mas

não encaixou, pelo fato do espaço disponível não ser suficiente e repousou

numa posição atravessada, inadequada, portanto. Foram lançados mais

pedaços de borracha e, no final do processo, a vazão se reduziu para 27,0

m³/s.

A carga na fenda foi avaliada através de medições de nível d´água na caixa de alimentação e foram desprezadas as perdas de carga.

Estas etapas de lançamento são ilustradas nas fotos a seguir.

FIGURA 11 - Peça central encaixada. FIGURA 12 - Peça no 2, de 1,45 m sendo

lançada, posição atravessada, próxima

da fenda.

FIGURA 13 -Peça no 2, de 1,45 m encaixada. FIGURA 14 - Peça no 2, de 1,45 m encaixada.


FIGURA 15 - Peça no 2, de 1,45 m, com as borrachas e peça no 3, de 1,05 m sendo lançada,

de vedação capturadas pela peça. posição atravessada já próxima da fenda.

FIGURA 16 - Peça no 3, de 1,05 m encaixada peça no 5, de 1,05 m encaixada, com as

borrachas de vedação capturadas.

FIGURA 17 - Lançamento da peça de 0,55 m, na Peça de 0,55 m na sua posição final, não

tentativa de encaixar numa fenda sendo possível o seu encaixe devida à

também com 0,55 m. projeção para fora da peça das borrachas

de vedação. Esta peça foi retirada.


FIGURA 18 - Peça no 4, de 0,25 m encaixada. Peça no 5, de 0,25 m na sua posição final.

3.1.1. Ensaios de medição de esforços

Estes ensaios foram realizados com a vazão regulada para que o nível d´água na alimentação fosse mantido 4 cm abaixo da borda da caixa de alimentação. Os artefatos eram presos numa ponta limnimétrica para registrar a posição relativa. A posição inicial do aparato situava-se a 30 cm acima da fenda e registrado o esforço para cada uma das posições, com o sistema de medição de esforços. Nas posições finais, foram realizadas também medições de vazão.

Os resultados são apresentados na Figura 19 e indicam que os valores máximos ocorrem quando a peça se encontra numa posição bastante próxima do seu ponto de encaixe. Os valores máximos são da ordem de 19 tf, os médios, de 10 tf e os mínimos, de 6 tf nesse ponto e apresenta essa flutuação de valores devidas às turbulências no escoamento no local.

Barragem Campos Novos - Esforços na Peça de Vedação em Diversas Posições - Peça de Latão

493,50

494,00

494,50

495,00

495,50

496,00

496,50

0,0 2000,0 4000,0 6000,0 8000,0 10000,0 12000,0 14000,0 16000,0 18000,0 20000,0

Esforço (kgf)

Co

ta (

m)

Fmédio FdirMáx FdirMín

FIGURA 19 – Esforços na peça de 1,45 m de latão.


As peças foram confeccionadas para serem lançadas no protótipo seguindo as especificações determinadas no modelo e lançadas na sequência que foram determinadas no modelo e os resultados obtidos foram bastante próximos, tanto no caminhamento até os respectivos encaixes, como nos esforços ao longo da trajetória.

4. CONCLUSÕES

Através dos resultados apontados nos estudos do PH San Francisco e UHE Campos Novos evidencia-se a importância da utilização das técnicas de modelação física não somente para estudos convencionais de arranjo geral de barragens, mas também na solução de problemas pontuais como na interação do fluxo com estruturas de geometria complexas e em estudos com regime de escoamento transitório.

5. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à ODEBRECHT Energia por permitirem a utilização dos dados do PH San Francisco e a ENERCAN – Campos Novos Energia S.A. para elaboração deste trabalho.

6. PALAVRAS CHAVES

Chaminé de equilíbrio. Vertedouro lateral. Túnel de desvio. Modelo físico reduzido

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] PROJETO HIDROELÉTRICO SÃO FRANCISCO – Modelo Reduzido Tridimensional Geral 1:25 (2005), “Relatório parcial nº 2 Ensaios em Regime Permanente”, RP02, FCTH, São Paulo, SP.

[2] PROJETO HIDROELÉTRICO SÃO FRANCISCO – Modelo Reduzido

Tridimensional Geral 1:25 (2005), “Relatório parcial nº 3 Ensaios em Regime Transitório”, RP03, FCTH, São Paulo, SP.

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