Dimensionamento de Bueiros

DIMENSIONAMENTO DE BUEIROS 1. Introdução Bueiros são condutos curtos usados em travessia de estradas e rodovias. A análise teórica exata do escoamento em bueiros é extremamente complexa, conforme a publicação “Hydraulic Design of Highway Culverts”. Mays (1999) enfatiza três parâmetros importantes em bueiros: carga do bueiro na entrada H, velocidade da água no mesmo e altura do nível d’água na saída do bueiro (tailwatwer). A análise de um bueiro é bastante complicada. As equações que regem os cálculos podem variar conforme o bueiro esteja submerso ou não ou conforme a saída do bueiro esteja submersa ou não. A seção de um bueiro pode ser circular, retangular ou elíptica. Os bueiros podem ser feitos de diversos materiais, sendo mais comum o concreto armado, chapas de aço galvanizado, tubos de ferro fundido e tubos de plástico de grandes diâmetros. Na Figura 1 são apresentados vários tipos de entrada de bueiros.

Figura 1 - Tipos de entrada de bueiros.

2. Dimensionamento de bueiros 2.1 Bueiro com entrada livre e saída livre

Figura 2 1

Neste caso, pode-se utilizar a equação de Chèzy-Manning que pode ser aplicada para seção retangular ou circular. a) Seção retangular A vazão pode ser determinada pela seguinte equação: Q

=

 I  2 / 3  A ⋅ R H  n

(2.1)

onde: n – coeficiente de rugosidade de Manning do canal; 3

Q – vazão (m  /s); 2

 A – área molhada (m );  R H  – raio hidráulico (m), definido como a relação entre a área molhada ( A) e o perímetro molhado (P);  I – declividade do fundo do canal (m/m).

b) Seção circular Para a seção circular considera-se o escoamento a plena seção, ou seja, o fluido ocupando toda a área do bueiro, porém sem exercer a pressão nas paredes. A vazão é determina pela seguinte equação: Q = 0,312 ⋅

 I  n

⋅ D

8 / 3

(2.2)

3

onde: Q – vazão, em m  /s;  D – diâmetro da tubulação, em m;  I – declividade da rua, em m/m. n – coeficiente de rugosidade de Manning (para concreto, n = 0,013).

Isolando o diâmetro D, tem-se:

  Q ⋅ n     D =   0,312 ⋅  I  

3 / 8

(2.3)

2.2 Bueiro com entrada submersa e saída livre com tubo parcialmente cheio

Figura 2.2

2

Para esta situação, ocorre, na maioria das vezes, o controle na entrada da tubulação. De acordo com a norma “Instrução de Projetos” elaborada pelo DER/SP (IP-DEH00/002), os bueiros devem ser dimensionados de tal forma que, para a vazão de 25 anos, seja obedecida a seguinte relação:  H W   D

≤ 1,20

(2.4)

onde: HW – carga hidráulica a montante (m); D – diâmetro ou altura do bueiro (m). O diâmetro e a relação Hw/D podem ser obtidos com uso do nomograma apresentado nas figuras 2.4 e 2.5. A altura da lâmina d´água na saída das galerias (h) pode ser determinada, considerando que o escoamento é uniforme, regido pela fórmula de Chèzy-Manning (Equação 2.1). Neste caso, há necessidade de verificar o regime de escoamento, tomando como base a profundidade crítica dada por: 2   1,01    Q     y c =  0, 26  ⋅    D     g  

0 , 25

(2.5)

onde: D – diâmetro do bueiro, em m; 3

Q – vazão de projeto, em m  /s; 2

g – aceleração da gravidade, em m/s .

2.3 Conduto com entrada submersa e saída submersa

Figura 2.3

Para esta situação, o controle ocorre na saída da tubulação. Para o dimensionamento do bueiro, deve-se estimar a altura h0, que depende da altura d´água na saída do bueiro (Tw), a qual pode ser maior, igual ou menor que a altura do bueiro. Para Tw superior ou igual ao topo do bueiuro, h0 = T w; para Tw menor que o topo do bueiro, h0 = (hc + D)/2, qual seja o mais elevado (h c – altura crítica; D – altura do bueiro). Há também necessidade de conhecer o comprimento e a declividade do bueiro.

3

O desnível de montante e jusante (carga H), para tubulações circulares, pode ser obtido com o auxílio de nomograma apresentado na Figura 2.3. Conhecida a carga H, a altura da água na entrada do bueiro pode ser obtida da seguinte forma: Hw = H + h 0 – L.i

(2.6)

onde: Hw – altura d´água acima do fundo na entrada do bueiro; H – desnível entre montante e jusante (carga H); L - comprimento da tubulação; i – declividade da tubulação. Mesmo que o controle esteja na saída, vale a mesma relação representada pela Equação 2.4.

4

Figura 2.4 5

Figura 2.5 6

Figura 2.6

7

3. Exemplo de dimensionamento 3.1 Controle na entrada a) Seção circular 3

 Dado: Vazão de projeto: Qp = 4,0 m  /s

Valores encontrados no nomograma da Figura 2.7 ⇒ D = 1,50 m e

 H W   D

≅ 1,08

OK!

≅ 1,19

OK!

b) Seção retangular de duas células, conforme a figura abaixo

3

 Dado: Vazão de projeto: Qp = 10,0 m  /s

Adotando B = 1,50 m ⇒

Q

2 B

=

10,0 2 × 1,50

=

3,33m 3 / s ⋅ m

Valores encontrados no nomograma da Figura 2.8 ⇒ D = 1,40 m e

 H W   D

3.2 Controle na saída (seção circular) 3

 Dados: Vazão de projeto: Qp = 4,0 m  /s

Comprimento do bueiro: L = 30 m; Declividade: I = 0,01 m/m; Tw = 1,60 m

Valores encontrados no nomograma da Figura 2.9 ⇒ D = 1,50 m e H = 0,47 m Cálculo da carga a montante: Hw = H + h 0 – L.i = 0,47 + 1,60 – 30 x 0,01 = 1,77 m Relação

 H W   D

=

1,77 1,50

= 1,18

OK!

8

Figura 2.7

9

Figura 2.5 10

Figura 2.9

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