O aparato experimental utilizado nesta investigação está instalado no Pavilhão Fluvial do Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). O modelo físico em escala reduzida reproduz a região onde ocorreram os danos à estrutura do sistema de drenagem urbana durante o evento citado no Capítulo 4, incluindo extensas porções a montante e a jusante desse ponto. A escala de redução geométrica adotada é 1:15 e o Número de Froude foi adotado como critério de semelhança para a estimativa de vazões. Placas de acrílico transparente de 10 mm foram utilizadas na construção, para permitir a visualização do escoamento.
A Figura 12 é uma representação esquemática do aparato experimental e a Figura 13 especifica as características geométricas dos Trechos A, B, C e D, os quais compõem a região em destaque na Figura 10. O Trecho A apresenta uma redução não usual na área da seção transversal na direção de jusante. O Trecho B é um conduto de seção transversal retangular e representa o início do conduto forçado propriamente dito. A região dos danos estruturais corresponde à singularidade geométrica localizada entre os Trechos A e B, a qual é caracterizada por um desnível geométrico abrupto, tanto na base quanto no topo do conduto. Uma rampa foi ajustada no desnível geométrico presente na base do conduto. Essa singularidade geométrica está indicada na Figura 12 como rampa, e assim será referida ao longo do texto.
O Trecho C apresenta a mesma dimensão transversal do Trecho B, porém o mesmo está localizado em uma cota inferior. Um segundo desnível geométrico abrupto, tanto na base quanto no topo do conduto, conecta os Trechos B e C e constitui a segunda singularidade geométrica do sistema representada no modelo. Na Figura 12, esta singularidade geométrica está indicada como degrau e assim será referida no texto. Finalmente, o Trecho D apresenta dimensões transversais reduzidas em relação aos trechos de montante e compõe a região mais
a jusante do sistema do CFAC representada no modelo. Conectando os Trechos C e D, há uma curva de 90° em ângulos vivos com redução da seção transversal.
O reservatório de nível constante é abastecido com água armazenada em um reservatório subterrâneo (700m3) por um sistema de bombeamento e recirculação. A água escoa, por gravidade, do reservatório de nível constante para o interior do modelo por dois condutos afluentes. Os condutos afluentes 1 e 2 são tubos de PVC de 85mm e 110mm, respectivamente. Ambos são equipados com medidores de vazão eletromagnéticos (SITRANS FM MAGFLO MAG 5100 W, DN80 e DN100) e registros gaveta. No conduto afluente 2 há, ainda, um registro esfera adicional.
Durante a realização do ensaio, o conduto afluente 1 era usado para ajustar o regime permanente inicial. O conduto afluente 2 era utilizado para a admissão da vazão adicional através da abertura manual do registro esfera. A vazões máximas admitidas pelos condutos afluentes 1 e 2 variavam de 18 a 20 l/s e de 28 a 30 l/s, respectivamente. Essa configuração de condutos afluentes e registros foi selecionada com o objetivo de reproduzir a propagação de uma vazão adicional de montante para jusante, ocasionando o enchimento e pressurização do sistema.
Na extremidade de jusante, um conjunto de quatro orifícios (três de 50 mm e um de 85 mm) compõe o sistema descarga de vazões do modelo. Ao permanecerem abertos ou fechados, os orifícios permitem o estabelecimento de uma ampla variedade de vazões, garantindo diferentes condições de escoamento no interior do modelo. Como mencionado na apresentação do Caso em Estudo, o comportamento hidráulico do sistema do CFAC pode ser condicionado pelo nível do rio Guaíba, uma vez que o sistema do CFAC deságua nesse corpo d’água. Além disso, os trechos do sistema do CFAC localizados a jusante da porção reproduzida no modelo são extensos e com grande quantidade de singularidades geométricas, as quais afetam igualmente o escoamento no interior do sistema. Por isso, optou-se por simular diferentes condições de jusante, a fim de reproduzir qualitativamente os efeitos de jusante presentes no sistema do CFAC. O estabelecimento de uma correlação exata entre as cotas do Rio Guaíba, o escoamento no trecho não representado no modelo físico e as condições de jusante do modelo não se constituiu objeto do presente estudo. Tal tarefa demandaria o cálculo do escoamento no interior do sistema do CFAC do Rio Guaíba até o final do trecho reproduzido no modelo, tanto em regime permanente quanto em regime transiente.
(a) Vista lateral
(b) Vista superior Fonte: Kaiber da Silva (2015).
Transdutores de pressão piezoresistivos foram instalados em pontos específicos do modelo.Suas posições e distâncias estão indicadas na Figura 14. O transdutor de pressão TP08 está a 3,62m a jusante do transdutor TPAr07. O transdutor de pressão TPAr01 está localizado, na cobertura do modelo, na extremidade de montante. Os transdutores de pressão são da marca Sitron (modelo SP21) com range de pressões de -0,2 bar a 0,2 bar (TPAr01 e TPAr02) e de - 0,5 bar a 0,5 bar (demais transdutores) e ambos com precisão de 0,25%. A frequência de aquisição de dados foi de 100Hz em todos os experimentos.
O módulo de leitura e registro de dados FieldLogger da marca Novus foi utilizado para a coleta dos dados oriundos dos transdutores de pressão e dos medidores de vazão eletromagnéticos. O software próprio do FieldLogger, instalado em um computador, realizava a conversão do sinal de corrente elétrica para centímetros de coluna de água.
A calibração dos transdutores de pressão, realizada no início de cada dia de ensaios, baseava-se na variação dos níveis de água dentro do modelo. Para cada nível estabilizado, procedia-se a leitura dos dados durante cerca de dois minutos.
A velocidade do escoamento foi medida com três velocímetros acústicos doppler (ADV - Vectrino Nortek) com taxas de aquisição de 100Hz. Os ADV’s foram instalados de modo que os volumes de controle estivessem situados a 0,5 cm, 1,5 cm e 8,3 cm da base do modelo.
Cinco câmeras filmadoras foram instaladas ao longo do Trecho B a fim de registrar imagens do ensaio para posterior análise. Todas as câmeras registram imagens a 30fps, mas com diferentes resoluções (resolução 4K: dois iPads Pro, um iPhone 7 Plus, uma câmera Nikon D5600; resolução 1920 x 1080: uma câmera Nikon D5000 ).
Figura 14. Localização dos transdutores de pressão e dos ADV´s.
Fonte: a pesquisa.