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A construção de barramentos ao longo dos rios causa muitas alterações no meio envolvido. Entre esses impactos, tem-se a formação de uma barreira que impede o deslocamento do habitat aquático, interferindo, principalmente, na reprodução das espécies migratórias. Na tentativa de mitigar esse efeito, em muitas barragens, verifica-se a necessidade da implantação de mecanismos de transposição de peixes (MTP). Entre esses MTP têm-se as escadas para peixes que, quando empregadas e projetadas adequadamente, possibilitam a livre circulação das espécies. As escadas/passagens para peixes apresentam diferentes geometrias, de acordo com características natatórias dos peixes, altura do obstáculo e vazões disponíveis. Neste trabalho, avaliam-se as características do escoamento em uma escada do tipo ranhura vertical. Realizaram-se ensaios em um modelo com 0,60 m de largura, 0,60 m de profundidade, 9 m de comprimento e 6% de declividade, onde se representa, na escala 1:5, parte da escada para peixes instalada na UHE Igarapava (Minas Gerais). Foram realizadas medições da profundidade do escoamento, das pressões junto ao fundo e das velocidades do escoamento, em uma das bacias da estrutura, para três descargas. A região da ranhura na bacia onde ocorre a passagem da água entre bacias consecutivas foi estudada detalhadamente, já que representa uma região de passagem obrigatória e onde se esperam as maiores velocidades. Os resultados deste trabalho foram divididos em duas partes: (1) os parâmetros médios do escoamento e (2) características turbulentas do escoamento. Neste artigo, que representa a parte 1, são apresentados parâmetros adimensionais do escoamento e mostramse através de campos de isolinhas as características da profundidade do escoamento, das pressões e das velocidades médias do escoamento. Os resultados permitem caracterizar o comportamento médio do escoamento nessa estrutura e definir adimensionais importantes no dimensionamento dessas estruturas, entre eles, o coeficiente de descarga e a vazão adimensional. Quanto às velocidades do escoamento, verifica-se que estas não se alteram em função da descarga e da profundidade do escoamento, sendo a posição na bacia o principal fator que interfere. As velocidades máximas chegam, transpondo para o protótipo, a 2,0 m/s, sendo que predominam as componentes horizontais. As componentes verticais não ultrapassam 0,7 m/s (no protótipo) em regiões isoladas. Uma análise que confrontou os campos de velocidade na estrutura e as velocidades características de algumas espécies presentes na ictiofauna brasileira demonstrou que há regiões do escoamento que podem representar barreiras ao livre deslocamento dessas espécies. Dam construction along the rivers affects the biological communities by changing aquatic habitats, interfering in fish movements and causing serious restrictions to the reproduction of migratory species. In an attempt to reduce these effects, many dams include fishways to help species maintain their life cycles. Fishways can be of various types according to the obstacle height, fish species and available discharges. In this paper, flow patterns in a vertical slot fishway were studied. An experimental arrangement consisting of a 0.60 m wide, 0.60 m deep and 9 m long flume divided into nine pools was evaluated. This model represents a part of the fishway installed at the Igarapava Hydropower Plant in Minas Gerais (Brazil). Measurements were carried out on the flow depth, bottom pressure and flow velocity in one of the pools for three discharges. The slot region between consecutive pools was studied in detail since it represents an obligatory passage and it is where the highest velocities are expected. The results of this paper were divided in two parts: (1) the average flow parameters and (2) the characteristics of the turbulent flow. This paper (part (1) of the study) presents the non-dimensional flow parameters and isoline maps showing the characteristics of the flow depth, pressures and mean velocities. Through the analysis of results it was possible to characterize the average behavior of the flow. The results allowed defining important non-dimensional parameters of these structures, such as the discharge coefficient and the non-dimensional flow rate. Flow velocities do not change based on discharge and flow depth, the pool position is the main factor of interference. The maximum velocity of the flow can reach up to 2.0 m/s (prototype scale) and the horizontal components are predominant. The vertical components do not exceed 0.7 m/s (prototype scale) in isolated regions. An analysis that contrasted the velocity fields of the structure and the velocity characteristics of some species of Brazilian ichthyofauna demonstrated that there are regions of the flow with barriers preventing the free passage of these species.

O uso de estruturas compactas na dissipação de energia a jusante de descarregadores de cheia, tem-se tornado, cada vez mais, uma realidade. Como tratam-se de estruturas onde parte da dissipação de energia ocorre através do impacto do jato junto ao leito de jusante, torna-se impqrtante conhecer onde ocorrerão as maiores flutuações de pressão. O autor, ao iniciar esta pesquisa, resolveu estudar a influência do ângulo de saida das estruturas do tipo concha, com coeficiente de afogamento igual a 1, na faixa de número de Froude compreendida entre 4,5 a 10. Os resultados obtidos indicaram que o melhor ângulo de saida depende do tipo funcionamento da estrutura, sendo esse, por sua vez função do número de Froude do escoamento e da condição de afogamento da mesma (coeficiente de afogamento e/ou cota de saida da estrutura). Compact structures are increasingly used for energy dissipation downstream of sipllways. Since they are structures in which some of the energy dissipation occurs dueto jet impact on the downstream bed, it is useful to know where the greatest pressure fluctuations will occur. When the author began his research he decided to study the influence of the outlet angle of shell-type structures with a submergence coefficiente equal to 1 in the Fraude number band between 4,5 and 10. Is is conluded that the best exit angle depends on the mede of functioning of that structure, and this in turn, is the function of the Froude number of flow and of its submergence condition (submergence coefficient and/or stage of outlet from the structure).

Esta tese objetiva caracterizar o escoamento provocado pela incidência de um jato vertical em um fundo plano, descrevendo assim as características médias e flutuantes das pressões a partir da investigação experimental. O modelo utilizado é composto por um jato retangular posicionado, perpendicularmente, a uma distância de 0,92 m do fundo plano de um canal. Utilizando transdutores de pressão instalados na posição de incidência do jato, adquiriu-se os valores de pressão “instantânea” a uma frequência de 128 Hz durante 10 minutos. Foram ensaiadas cinco (5) vazões: 25 l/s (Fr1 = 7,12), 30 l/s (Fr1 = 8,51), 36,6 l/s (Fr1 = 10,35), 42,7 l/s (Fr1 = 12,12) e 50l/s (Fr1 = 14,23), além de vinte (20) diferentes espessuras de colchão d'água. Com os dados de pressão, efetuou-se análises no domínio do tempo, da frequência e da posição. No domínio do tempo, analisou-se a variação dos parâmetros estatísticos essenciais (média, desvio padrão, assimetria e curtose) bem como a identificação de valores máximo e mínimos das pressões. No domínio da frequência, procurou-se avaliar por meio da análise espectral a identificação de frequências significativas associadas à energia macroturbulenta. No que tange à análise no domínio da posição buscou-se analisar a faixa de influência do jato junto ao fundo, a região de subpressões e o alcance das pressões dinâmicas. Outro aspecto importante abordado é a apresentação dos resultados em gráficos adimensionalizados, o que confere ao estudo um caráter geral dentro da faixa de valores ensaiados. Os resultados definem um colchão mínimo de água da ordem de 3 vezes a altura crítica do escoamento, para o amortecimento das pressões dinâmicas. A análise dos momentos estatísticos demonstra que a distribuição das pressões não segue a distribuição normal. Dentro disso, estão disponibilizados coeficientes estatísticos de probabilidade para a determinação das pressões extremas. Ainda, estão definidas quatro zonas a jusante do impacto do jato: Zona I - região do impacto, Zona II - reflexão do jato, Zona III - Acomodação do escoamento e por fim, a Zona IV - caracterizada pelo fim da influência do jato. Além disso, uma análise deste escoamento sob a perspectiva da formação de um ressalto hidráulico é realizada, indicando que apenas os parâmetros utilizados, não descrevem o escoamento como tal. Esta tese é produto da parceria entre Laboratório de Obras Hidráulicas do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (LOH/IPH/UFRGS) e o Laboratório de Hidráulica Experimental e Recursos Hídricos de Furnas Centrais Elétricas S. A. (LAHE/FURNAS). This thesis aims to characterize the flow prompted by the incidence of a vertical jet on a flat bottom, thus describing the mean and floating characteristics of the pressures from the experimental investigation. The model used is comprised of a rectangular jet positioned perpendicularly at a distance of 0.92 m from the flat bottom of a channel. Using pressure transducers installed in the jet incidence position, the "instantaneous" pressure values were acquired at a frequency of 128 Hz for 10 minutes. Five (5) discharges were tested: 25 l/s (Fr1 = 7.12), 30 l/s (Fr1 = 8.51), 36.6 l/s (Fr1 = 10.35), 42.7 l/s (Fr1 = 12.12) and 50 1/s (Fr1 = 14.23), as well as twenty (20) different waterbed thicknesses. The pressure data were analyzed in terms of time, frequency and position domains. In the time domain, the variation of the essential statistical parameters (mean, standard deviation, asymmetry and kurtosis) was analyzed, as well as the identification of maximum and minimum pressure values. In the frequency domain, it was sought to assess, by means of the spectral analysis, the identification of significant frequencies associated with macroturbulent energy. Regarding the analysis in the position domain, this study aimed to analyze the range of influence of the jet near the bottom, the region of subpressions and the reach of the dynamic pressures. Another important aspect is the presentation of the results in dimensionless graphs, which grants the study a general character within the range of values tested. The results define a minimum waterbed of the order of 3 times the critical height of the flow for the damping of the dynamic pressures. Statistical moments analysis shows that the distribution of pressures does not follow the normal distribution. Therein, probability statistical coefficients are available for the determination of extreme pressures. Also, four zones are defined downstream of the impact of the jet: Zone I - region of impact, Zone II - reflection of the jet, Zone III - accommodation of the flow and, finally, Zone IV - characterized by the end of the influence of the jet. Furthermore, an analysis of this flow from the perspective of the formation of a hydraulic jump is conducted, indicating that the parameters used alone do not describe the flow as such. This thesis is a product of the partnership between the Hydraulic Works Laboratory of the Hydraulic Research Institute of the Federal University of Rio Grande do Sul (LOH/IPH/UFRGS) and the Laboratory of Experimental Hydraulics and Hydraulic Resources of Furnas Centrais Elétricas SA (LAHE/FURNAS).

Barragens são utilizadas há séculos para diversas finalidades. Em diversas barragens os vertedouros são constituídos de degraus com o objetivo de aumentar a dissipação de energia. A presente pesquisa objetiva a caracterização dos esforços atuantes em vertedouros em degraus, através da análise da variação das pressões atuantes ao longo da calha e suas distribuições na faces do degraus. Com esse objetivo, são realizadas análises sobre modelos de vertedouros com declividade de 1V:0,75H e degraus de 3, 6 e 9 centímetros. São analisados os campos de pressões nos degraus e comparados com os resultados disponíveis na bibliografia. Também são propostos modelos para previsão de pressões nos patamares e espelhos dos degraus bem como dos esforços resultantes. Além disso, são realizadas transposições dos resultados para a escala de protótipo, inclusive com a análise da possibilidade de cavitação na estrutura. Como constatação geral sobre as pressões nos espelhos verifica-se que os esforços de tração e compressão têm magnitudes relativamente semelhantes, sendo mais intensas as pressões negativas. Sobre as pressões máximas nos patamares, destaca-se que os valores máximos de compressão ocorreram no final da calha, percebendo-se que as menores vazões geraram maiores valores de coeficientes de pressões. As variações da compressão nas faces dos patamares apresentam crescimento, no sentido da extremidade com o espelho acima deste para o vértice com o espelho abaixo do mesmo patamar. Nas faces dos espelhos, percebe-se que os mais extremos de tração são observados na parte superior, próximo à quina com os patamares. Dams have been used throughout the centuries for a plethora of purposes. Several designs employ steps on the spillways in order to increase the power dissipation. The present research aims to characterize the forces acting on stepped spillways by analyzing both the variation of pressures acting along the pipeline and their distributions on the faces of the steps. In order to achieve this purpose, observations and discussions regarding spillways models with slope characterized as 1V: 0.75H and steps ranging from 3 to 9 centimeters are conducted. The pressure fields measured in the steps were analyzed and compared with results available in the literature. Sub sequentially, models to predict pressures on the faces of the steps and the resulting efforts were proposed. Finally, transpositions were performed on a prototype scale. Generally, it was found that the magnitude of tensile and compressive forces on the vertical faces are relatively similar, being the negative pressure slightly higher on all cases. During the experiments, it was observed that compression forces increased thought the length of the step’s horizontal face, peaking at the edge. It was also noticed that lower flows generated higher pressure coefficients. The measured compression on the horizontal faces of the step and its variation increase towards the edge of the step. It is perceived that the maximum tensile is observed on the top of the step’s vertical faces, near the corner with the horizontal faces.

Vertedouros em degraus têm se tornado uma boa opção em barragens pela facilidade de construção e, principalmente, por apresentar uma dissipação significativa de energia ao longo de sua calha, o que faz com que a parcela de energia a ser dissipada por ressalto hidráulico a jusante da barragem diminua, ocasionando uma significativa redução nas dimensões da estrutura da bacia de dissipação. A aplicação de soleira terminal em bacias de dissipação provoca uma melhor distribuição das velocidades e um melhor comportamento da flutuação de pressões ao longo da bacia e a jusante, aumentando assim seu desempenho na dissipação de energia. A combinação destas duas formas de dissipação (vertedouro em degraus e bacia de dissipação com soleira terminal) pode ser utilizada como uma solução econômica e segura, entretanto, o dimensionamento dessas estruturas esbarra na falta de critérios e informações, principalmente quanto ao tamanho e posição ideal para o projeto de uma soleira terminal. No presente trabalho foram analisados os dados de pressões médias e flutuações de pressões no interior da bacia e a jusante da soleira terminal, sendo apresentadas metodologias para dimensionamento de tamanho e para posicionamento de uma soleira em função do número de Froude da entrada do ressalto hidráulico. Também está sendo apresentada uma metodologia para análise das pressões médias em bacia do tipo I (sem soleira), além de uma comparação do comportamento dos esforços em bacia com soleira e sem soleira, com vertedouro em degraus e vertedouro de calha lisa. Os dados utilizados foram obtidos em modelo experimental, construído no Laboratório de Obras Hidráulicas (LOH) do Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH-UFRGS), através de transdutores de pressões fixados junto ao fundo do canal de ensaios para diversas vazões, considerando, além de bacia tipo I, diferentes tamanhos de soleira terminal, situadas em diferentes posições do canal. Stepped spillways have become a good option in dams for ease of construction and especially to present a significant dissipation of energy throughout the spillway chute, which causes that the parcel of energy to be dissipated by hydraulic jump downstream of dam decreases, causing a significant reduction in the dimensions of the stilling basin structure. The application of end sill in stilling basins causes a better distribution of speeds and better behavior of the fluctuation of pressure along the basin and downstream, thus increasing their performance in energy dissipation. The combination of these two forms of dissipation (stepped spillway and stilling basin with end sill) can be used as an economical and safe solution, however, the sizing of these structures hindered by a lack of criteria and information, especially regarding the ideal size and position for design of an end sill. In this study the data mean pressures and pressure fluctuations within the basin and downstream of the end sill were analyzed, being presented methodologies for design the size and position of a sill as a function of the Froude number of the input of the hydraulic jump. A methodology for analysis of mean pressure in type I basin (without sill) is also being presented, and a comparison of the behavior of efforts in basin with and without end sill, with stepped spillway and flat spillway chute. The data were obtained in an experimental model built at the Laboratory of Hydraulic Works (LOH) at the Institute of Hydraulic Research (IPH-UFRGS), through pressure transducers attached at the bottom of the test channel for various flow rates, considering, in addition of type I basin, different sizes of end sill at different positions of the channel.

Atualmente, está se tornando cada vez mais usual, na engenharia brasileira e internacional, aproveitamentos hidroelétricos com baixa queda e elevada vazão específica, resultando em um escoamento na entrada do dissipador de energia hidráulica com baixos números de Froude (Fr1). Os aproveitamentos da UHE Santo Antonio, da UHE Jirau e da AHE Belo Monte pertencem a essa classe e se encontram atualmente em fase de construção. Tendo em vista que, até recentemente, eram raros os casos de bacias de dissipação por ressalto hidráulico projetadas com baixo número de Froude, menor que 4,5, para esses casos, a literatura especializada não oferece estudos específicos sobre o comportamento da dissipação de energia nem das características da distribuição longitudinal de pressão. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo explorar a faixa em que o número de Froude, na entrada da bacia de dissipação, é inferior a 5. Além disso, também pretende complementar os gráficos disponíveis para auxiliar o dimensionamento de vertedouros de baixa queda, bem como verificar se as considerações já existentes para os casos em que o número de Froude é maior que 4,5 podem ou não ser adotadas para prever os valores de pressão junto ao fundo de bacias de dissipação. Como resultados finais desta pesquisa são apresentados os gráficos, nos quais foram inseridos os casos analisados para baixa queda e número de Froude anteriormente especificados. O estudo foi experimental, utilizando-se a técnica da modelação física. Foi utilizado o modelo de detalhe do vertedouro da UHE Santo Antonio na escala 1:50, obedecendo o critério de escala proposto por Froude. Os resultados deste trabalho se mostraram satisfatórios, tendo em vista que acrescentaram mais resultados experimentais a gráficos conhecidos e trouxeram novas tendências que possivelmente estão somente presentes em aproveitamentos de baixa queda e elevada vazão específica. Currently, is becoming increasingly common in the Brazilian and international engineering hydroelectric developments with low head and high specific flow rate, resulting in a flow with low Froude number at the energy dissipator entrance. The hydroelectric power plants (HPP) of Santo Antonio, Jirau and Belo Monte belongs to this case and are currently under construction. Considering that until recently the cases of stilling basins designed for hydraulic jump with low Froude number (less than 4.5) have been rare, the specialized literature offer no specific studies on the energy dissipation behavior or on the characteristics of the longitudinal distribution pressure. This work aims to specifically explore the range in which the Froude number (Fr1) at the dissipation basin entrance is less than 5. Furthermore, it also intends to supplement the available graphs to assist the design of low-drop spillways and verify that the considerations made for Froude numbers greater than 4.5 can be adopted to predict pressure values on the bottom of the dissipation basin (stilling basin). The final results of this research are presented in graphs, in which were inserted the analyzed cases of low-head and low Froude number as specified above. The experimental study was made using the physical modeling technique. A 1:50 scale model of the spillway of HPP Santo Antonio was used according to the criterion proposed by Froude. The results were satisfactory, considering that they added more experimental results to the known graphs and brought new trends that are likely to be present at low head hydroelectric power plants and high specific flow.

Em aproveitamentos hídricos, onde podem estar envolvidas elevadas alturas de água armazenada, o vertedouro é a estrutura hidráulica responsável por conduzir com segurança o escoamento que excede a capacidade de armazenamento do reservatório. Neste aspecto, é necessário considerar o processo de dissipação de energia a fim de proteger o pé da barragem e a própria estrutura do vertedouro contra a ação erosiva da água. Este fluxo que é descarregado é usualmente amortecido por um colchão d’água, o qual é delimitado em uma bacia de dissipação projetada com intuito de resistir aos esforços impostos pelo escoamento. Em grandes barramentos, a utilização de um vertedouro tipo salto esqui, que é caracterizado por um defletor de fluxo no final de sua calha, possibilita que não haja necessidade de revestir o leito próximo do pé da barragem, pois a incidência do jato lançado ocorre distante deste local. Desta maneira, a dissipação da energia é efetuada sobre o próprio leito do rio, sendo formada uma fossa de erosão, contudo, dependendo da resistência do leito e de suas características anisotrópicas, os padrões de recirculação do fluxo podem fazer a fossa evoluir para uma situação nociva. Por isso, desde a fase de projeto desse tipo de vertedouro, monitoramento e previsões da progressão da fossa são essenciais. Então, conforme proposta deste trabalho, abordou-se cada fenômeno que influencia no potencial erosivo do jato, como a turbulência em sua emissão e o grau de difusão do mesmo no colchão d’água. Assim, com ensaios sobre modelo físico, foi possível desenvolver duas metodologias, aplicáveis tanto para a verificação da erosão de material granular na superfície de leitos, quanto para o interior de leitos rochosos fissurados, cujas forças atuantes em um bloco de rocha isolado, podem vencer seu peso submerso e o destacar da matriz. In hydroelectric plants, which may be involved elevated heights of stored water, the dam spillway is responsible for safely flow the water that exceeds the storage capacity of the reservoir. In this respect, it is necessary to consider the process of energy dissipation in order to protect the base of the dam and the spillway structure itself against the erosive action of the water. This stream discharged is usually cushioned by a waterbed, which is bounded into a stilling basin designed with the purpose of resist the efforts imposed by the flow. In large dams, the use of a ski jump spillway type, which is characterized by a flow deflector at the end of its chute, allows no need lining the bed near the foot of the dam, since the impact of the jet is launched away this location. Thus, the energy dissipation is performed on the riverbed itself, generating a scour hole, however, depending on the resistance of the bed and its anisotropic features, patterns of flow recirculation can evolve the pit into a harmful state. For this reason, since the design phase of this type of spillway, monitoring and predicting the progression of the pit are essential. Then, according to the proposal of this work, it was dealt with each phenomenon that influences the erosive potential of the jet, as the turbulence at its issue on the air, and the level of its diffusion of on waterbed. Based on physical model tests, it was possible to develop two methodologies, applicable both for verifying erosion of granular material from the surface of the bottom, as for analyze the interior of a fissured bedrock, which the forces acting on an isolated block of rock can overcome its submerged weight and uplift it off the matrix.

Esta pesquisa foi desenvolvida no Curso de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental do Instituto de Pesquisas Hidráulicas, pertencente à 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 como forma de dissipação de energia a jusante de obras hidráulicas. O conhecimento das flutuações de pressão e, principalmente, dos valores extremos são de elevada importância devido a problemas ocasionados pelos efeitos macroturbulentos do escoamento, tais como, fadiga, cavitação e ressonância. A presente pesquisa teve como objetivo verificar os possíveis efeitos de escala na previsão de valores extremos de pressões junto ao fundo em bacias de dissipação por ressalto hidráulico a partir de dados experimentais adquiridos em três modelos físicos reduzidos da UHE Porto Colômbia, nas escalas 1:100, 1:50 e 1:32, além das medições realizadas no protótipo. A análise dos dados foi realizada com base nas metodologias propostas por Wiest (2008) e Cerezer (2008), que também fizeram parte do P&D. De uma forma geral, o trabalho apresenta sugestões de escalas mínimas a serem utilizadas nos modelos reduzidos para a avaliação das pressões médias, das flutuações de pressão, dos coeficientes estatísticos de probabilidade e das pressões extremas ao longo da bacia de dissipação. Também foram investigados, em função da escala da estrutura, os mínimos valores de freqüência de aquisição e tamanho de amostra, assim como, os possíveis efeitos da aeração no escoamento. This work was developed at the Post-graduation Program in Water Resources 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 as an energy dissipation form downstream hydraulic structures. The knowledge of pressure fluctuations and, mainly, of extremes values are of high importance due to problems caused by the macroturbulent effects of the flow such as fatique, cavitation and resonance. This research aimed to check the possible effects of scale in the prediction of extreme pressure values in the bottom of stilling basis structures from experimental data from three reduced scale models of Hydropower plant of Porto Colômbia in 1:100, 1:50 and 1:32 scale were used as well as prototype measurements. Data analysis was based on methodologies proposed by Wiest (2008) and Cerezer (2008), who also were part of this R&D project. This work suggests the minimum scale to be used in reduced scale models in order to evaluate mean pressures, pressure fluctuations, statistical probability coefficients and extreme pressures along the stilling basin. Due to the structure scale, the minimum values of acquisition frequency and sample size as well as the possible effects on air entrainment flow were investigated.

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

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.