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ZAMADEI_Comparação entre o método racional e método do hidrograma unitário no dimensionamento de estrutura de drenagem rodoviária

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT

TAIANE ZAMADEI

COMPARAÇÃO ENTRE O MÉTODO RACIONAL E MÉTODO DO

HIDROGRAMA UNITÁRIO NO DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURA

DE DRENAGEM RODOVIÁRIA:

Estudo de caso de bacias contribuintes situadas na mesorregião

Norte-Matogrossense

Sinop – MT

2017/2

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT

TAIANE ZAMADEI

COMPARAÇÃO ENTRE O MÉTODO RACIONAL E MÉTODO DO

HIDROGRAMA UNITÁRIO NO DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURA

DE DRENAGEM RODOVIÁRIA:

Estudo de caso de bacias contribuintes situadas na mesorregião

Norte-Matogrossense

Projeto de Pesquisa apresentado à Banca Examinadora do Curso de Engenharia Civil – UNEMAT, Campus Universitário de Sinop-MT, como pré-requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.

Prof.ª Orientadora: Ana Elza Dalla Roza

Sinop - MT

2017/2

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Estações pluviométricas ... 18

Tabela 2 – Tempo de Retorno T ... 19

Tabela 3 – Fórmulas para Tempo de Concentração ... 20

Tabela 4 – Coeficiente de deflúvio conforme Burkli-Ziegler ... 22

Tabela 5 – Coeficiente de deflúvio conforme R. Peltier / J.L. Bonnenfant ... 22

Tabela 6 – Coeficiente de deflúvio conforme Eng. Baptista Gariglio e José Paulo Ferrari ... 23

Tabela 7: Tipos de solos para auxilio da determinação do parâmetro CN ... 26

Tabela 8: Parâmetro CN ... 27

Tabela 9: Valores dos coeficientes de rugosidade n para condutos diversos ... 32

Tabela 10: Velocidade máxima para dutos. ... 33

Tabela 11: Relações hidráulicas para seção tubular. ... 34

Tabela 12: Relações hidráulicas para seção retangular. ... 36

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LISTA DE EQUAÇÕES

Equação 1 ... 18 Equação 2 ... 18 Equação 3 ... 18 Equação 4 ... 19 Equação 5 ... 21 Equação 6 ... 24 Equação 7 ... 24 Equação 8 ... 24 Equação 9 ... 25 Equação 10 ... 25 Equação 11 ... 25 Equação 12 ... 26 Equação 13 ... 26 Equação 14 ... 26 Equação 15 ... 26 Equação 16 ... 26 Equação 17 ... 32 Equação 18 ... 34 Equação 19 ... 34 Equação 20 ... 34 Equação 21 ... 35 Equação 22 ... 40 Equação 23 ... 40

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Bueiro Triplo Tubular de Concreto (BTTC) ... 13

Figura 2: Bueiro Duplo Tubular de Concreto. ... 14

Figura 3: Bueiro Duplo Tubular de Concreto (Esconso) ... 14

Figura 4: a) Representação em planta de bueiro reto, (b) Representação em planta de bueiro esconso. ... 15

Figura 5: Hidrograma Tipo ... 24

Figura 6: Configuração tipo do Hidrgrama Unitário Triangular e componentes. ... 25

Figura 7: Representazão das categorias de bueiros, conforme entrada e saída. ... 28

Figura 8: Nomograma de carga hidráulica para bueiros tubulares de concreto. ... 30

Figura 9: Nomograma de carga hidráulica para bueiros tubulares de concreto. ... 31

Figura 10: Grandezas hidráulicas para bueiros tubulares. ... 33

Figura 11: Grandezas hidráulicas para bueiro celular ... 35

Figura 12: Divisão do estado do Mato Grosso em Mesorregiões ... 37

Figura 13: Divisão do Atlas Hidrogeológico do Brasil ao Milionésimo em suas 46 folhas. ... 39

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LISTA DE ABREVIATURAS

DNIT – Departamento Nacional de Infraestrutura e Transporte OAC – Obra de Arte Corrente

TCC – Trabalho de Conclusão de Curso

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas

AGESUL - Agência Estadual de Gestão de Empreendimentos ANA – Agência Nacional das Águas

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DADOS DE IDENTIFICAÇÃO

1. Título: Comparação entre Método Racional e Método do Hidrograma

Unitário para o dimensionamento de estrutura de drenagem rodoviária. Estudo de caso de bacias contribuintes situadas na mesorregião Norte-Matogrossense

2. Tema: 30100003 - Engenharia Civil

3. Delimitação do Tema: 30104009 - Engenharia Hidráulica 4. Proponente(s): Taiane Zamadei

5. Orientador(a): Ana Elza Dalla Roza

7. Estabelecimento de Ensino: Universidade do Estado de Mato Grosso 8. Público Alvo: Acadêmicos, docentes, pesquisadores e profissionais da

área.

9. Localização: Avenida dos Ingás, nº 3001, Centro – Sinop – MT, CEP:

78550-000

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SUMÁRIO

LISTA DE TABELAS ... I LISTA DE EQUAÇÕES ... II LISTA DE FIGURAS ... III LISTA DE ABREVIATURAS ... IV DADOS DE IDENTIFICAÇÃO ... V 1 INTRODUÇÃO ... 8 2 PROBLEMATIZAÇÃO ... 9 3 JUSTIFICATIVA... 10 4 OBJETIVOS ... 11 4.1 OBJETIVO GERAL ... 11 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 11 5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 12 5.1 DRENAGEM RODOVIÁRIA ... 12

5.1.1 Drenagem de transposição de talvegues ... Erro! Indicador não definido. 5.1.2 Classificação ... 13 5.2 ESTUDOS HIDROLÓGICOS ... 15 5.2.1 Bacias Hidrográficas ... 15 5.2.2 Dados Pluviométricos ... 17 5.2.3 Curva IDF ... 17 5.2.4 Tempo de recorrência ... 19 5.2.5 Tempo de Concentração ... 19 5.2.6 Vazão Máxima ... 21 5.2.7 Método Racional ... 21 5.2.7.1 Coeficiente de deflúvio ... 22

5.2.8 Método do Hidrograma Unitário ... 23

5.2.8.1 Método de Snyder ... 24

5.2.8.2 Hidrograma Unitário Triangular ... 25

5.3 ESTUDOS HIDRÁULICOS ... 27 5.3.1 Bueiros Tubulares ... 28 5.3.2 Bueiros Celulares ... 31 5.3.3 Verificação Hidráulica ... 32 5.3.3.1 Bueiros Tubulares ... 33 5.3.3.2 Bueiros Celulares ... 35 6 METODOLOGIA ... 37

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6.1.1 Definição das bacias ... 38

6.1.2 Coleta de Dados ... 39

6.1.3 Tempo de Recorrência ... 39

6.1.4 Tempo de Concentração ... 40

6.2 DIMENSIONAMENTO DAS ESTRUTURAS ... 40

6.2.1 Método Racional ... 40

6.2.2 Método do Hidrograma Unitário Triangular ... 40

6.2.3 Dimensionamento Hidráulico ... 41

6.3 COMPARAÇÃO DE RESULTADOS ... 41

7 CRONOGRAMA ... 43

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1 INTRODUÇÃO

A drenagem das águas pluviais tem influência direta no critério de durabilidade de um pavimento, assim como na estabilidade de uma via, sendo justificável já que grande parte dos materiais utilizados na pavimentação tem suas características alteradas por variações no seu teor de umidade. Assim, “em sua função primordial, a drenagem de uma rodovia deve eliminar a água que, sob qualquer forma, atinge o corpo estradal, captando-a e conduzindo-a para locais em que menos afete a segurança e durabilidade da via” (DNIT, 2006b, p. 27).

Ainda segundo DNIT (2006b), o sistema de drenagem de uma rodovia é constituído de diversos elementos, que podem ser construídos para a implantação da via, ou para drenagem das águas em sua plataforma. Os bueiros - objeto de estudo da presente pesquisa - são elementos executados para a implantação da via, também chamados por obras de arte correntes (OAC); e tem por objetivo a transposição de talvegues, captando as águas originadas em bacias que serão interceptadas pela estrada.

Ao realizar o dimensionamento das OAC, o projetista pode adotar variadas metodologias presentes na literatura, sendo mais recorrentes, o Método Racional, e o Método do Hidrograma Unitário. Apesar de ambos utilizarem parâmetros hidrológicos e hidráulicos, são encontradas variações entre as vazões obtidas pelas metodologias (MIRANDA et al.,2017). A justificativa de tais divergências está relacionada aos diferentes critérios utilizados para a determinação da vazão de escoamento superficial da bacia estudada.

Deste modo, julga-se pertinente o estudo comparativo entre os dois métodos, variando os aspectos intervenientes ao dimensionamento, buscando definir a influência dos parâmetros empíricos utilizados no dimensionamento das obras de arte correntes.

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2 PROBLEMATIZAÇÃO

Ao tratar de dimensionamento de obra corrente, é possível constatar na literatura que os métodos para estimar a vazão máxima, apesar de consagrados, apresentam limitações de aplicabilidade, resultando em dimensionamentos incertos, e por vezes questionáveis. Segundo Aranda o Método do Hidrograma Unitário Triangular é recomendado para bacias de até 1300 km², já o Método Racional se aplicaria para pequenas bacias, de até 12,5 km².

O Método Racional, conforme o DNIT (2005), expressa a vazão máxima por meio de uma equação simples, mas que relaciona o comportamento da vazão da bacia com um único parâmetro, o coeficiente de deflúvio c, acarretando em incertezas; já o Hidrograma Unitário só poderia ser utilizado com exatidão caso os dados pluviométricos fossem confiáveis – o que geralmente não se dispõe.

A vazão é calculada de maneira fácil pelo o método Racional, mas tem a precisão reduzida conforme aumento da área de bacia. Com a utilização do Hidrograma Unitário é possível observar as propriedades de precipitação e escoamento superficial característico da bacia estudada. (MATO GROSSO DO SUL, 2010).

Diante o exposto, indaga-se nesse projeto, quais particularidades da bacia hidrográfica condicionam os métodos de obtenção de vazão a resultados mais precisos, e por consequência, a dimensionamentos otimizados.

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3 JUSTIFICATIVA

A escolha do método a ser utilizado para o cálculo da vazão máxima norteia o processo de dimensionamento das obras corrente. Segundo Gaia (2014), o funcionamento inadequado dos bueiros está associado a dimensionamentos mal realizados ou insuficientes e avaliações inapropriadas das vazões a serem escoadas.

As vazões de projeto devem reproduzir as condições críticas possíveis de acontecer, explorando as mais desfavoráveis. Dessa forma, o projetista pode estimar – de maneira eficaz – o risco de a vazão ser extrapolada, bem como os prejuízos causados por tal situação.

Dentre os prejuízos causados quando o dispositivo foi projetado de forma ineficaz, pode-se citar a fissuração e rompimento das camadas dos pavimentos, erosões em terraplanagens, colapso de vias, alagamento, entre outros.

Assim, aspira-se com o trabalho quantificar as diferenças encontradas ao dimensionar as estruturas utilizando os dois métodos, entendendo como as variações físicas das bacias localizadas ao norte do Estado de Mato Grosso, e os diferentes usos do solo, influenciam na vazão de projeto. Espera-se, também, que seja possível identificar quais critérios devem ser aplicados ao decidir qual método utilizar.

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4 OBJETIVOS

4.1 OBJETIVO GERAL

O objetivo geral desta pesquisa é comparar a influência de dois métodos de determinação da vazão de projeto no dimensionamento de obras de arte correntes.

4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

 Selecionar as bacias que serão utilizadas na análise,

 Definir pontos para o dimensionamento de bueiros conforme ocupação do solo e extensão das bacias de contribuição;

 Tratar a curva IDF do município de Sinop-MT devido a lacuna de dados;

 Determinar a vazão máxima das bacias pelos Métodos Racional e Hidrograma Unitário;

 Comparar as vazões obtidas por ambos métodos para uma mesma bacia;  Dimensionar os bueiros utilizando ambas as vazões;

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5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

O dimensionamento de bueiros é assunto tratado por diversos autores, com diferentes metodologias de cálculo, bem como, numerosas variáveis consideradas em tal processo. Assim, a literatura apresenta mais de um caminho a ser escolhido pelo projetista, o que em contra partida, exige desse, conhecimento das variáveis incluídas no projeto e como elas influenciam nos resultados obtidos.

Para a obtenção do necessário conhecimento, julga-se imprescindível a revisão das metodologias e particularidades dos métodos de dimensionamento que serão confrontados, juntamente com as normas vigentes, e trabalhos similares existentes.

5.1 DRENAGEM RODOVIÁRIA

Conforme DNIT (2006b), o subleito e pavimento de uma estrada é grandemente afetado por variações de umidade e para assegurar a não alteração das características que garantem estabilidade e segurança de uma via é necessário possuir conhecimento do regime hidrológico da região de projeto, bem como das soluções de drenagem cabíveis.

A drenagem de rodovias pode ser elencada em cinco categorias:

 drenagem superficial, responsável por captar e desaguar as águas que precipitam sobre o corpo estradal;

 drenagem subterrânea ou profunda, que objetiva drenar as águas que se infiltram e formam lençóis subterrâneos;

 drenagem do pavimento, utilizando dispositivos para captar as águas que se infiltram nas camadas dos pavimentos;

 drenagem de transposição de talvegues (curso de água natural), responsável por transpor cursos d’água originados em bacias, e que devem atravessar a estrada, sem comprometer sua estrutura;

 drenagem urbana visando o escoamento de águas pluviais de maneira adequada, de forma a prevenir a área urbana de inundações.

A transposição dos cursos de água sob uma estrada pode ser realizada através de três dispositivos, as pontes, os pontilhões e os bueiros. Esse projeto de pesquisa terá como objeto de estudo o bueiro, elemento apresentado na Figura 1, e os parâmetros existentes no processo de dimensionamento.

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A definição para o termo bueiro é apresentada em diversas bibliografias. Segundo Tomaz (2015) os bueiros são elementos de drenagem utilizados nas travessias urbanas para a passagem de um curso de água, Gribbin os define como estruturas que transportam um canal através de obstruções, como as rodovias. Assim, pode-se afirmar que bueiros são elementos destinados à captação e condução de águas pluviais, de forma a permitir a transposição de uma via sobre um talvegue.

5.1.1 Classificação

Segundo DNIT (2006b) as classificações dos bueiros podem ser elencadas conforme material em que são executados, forma da seção, número de linhas e quanto à esconsidade.

Os bueiros são executados tipicamente em concreto, simples ou armado, e em chapas de metal corrugado.

Quanto à forma, os bueiros de concreto podem ser de seção circular, sendo chamados de tubulares e de seção retangular ou quadrados, conhecidos como bueiros celulares. Já quando o material utilizado é o metal corrugado, existe uma gama maior de formas como a circular, a lenticular, a elíptica, ou ovoides.

Figura 1: Bueiro Triplo Tubular de Concreto (BTTC) Fonte: Próprio autor (2017)

(16)

Classificam-se conforme a quantidade de linhas em que são projetados, sendo simples quando houver uma linha de tubos; duplos para 2 linhas de tubos, e triplos para 3 linhas.

Quando seu eixo longitudinal coincide com o eixo normal da via é classificado como normal, já quando formam um ângulo diferente de zero é classificado como esconso. Na Figura 2 é apresentado um bueiro duplo tubular de concreto normal, e na Figura 3 um esconso. A figura 4 mostra a representação em planta dessas duas classes.

Figura 2: Bueiro Duplo Tubular de Concreto (Normal). Fonte: Próprio autor (2017)

Figura 3: Bueiro Duplo Tubular de Concreto (Esconso) Fonte: Próprio autor (2017)

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Fonte: Adaptado de DNIT (2006)

5.2 ESTUDOS HIDROLÓGICOS

Os estudos hidrológicos subsidiam o planejamento da obra de arte corrente, determinando as vazões de dimensionamento da estrutura. Para tal, a bacia hidrográfica contribuinte deve ser analisada conforme seus atributos físicos, e devem ser coletados dados pluviométricos da região estudada.

5.2.1 Bacias Hidrográficas

“A bacia hidrográfica é uma área de captação natural da água da precipitação que faz convergir os escoamentos para um único ponto de saída, seu exutório” (SILVEIRA, 2005, p. 40). Ainda segundo o mesmo, o papel hidrológico de uma bacia hidrográfica é “transformar uma entrada de volume concentrada no tempo (precipitação) em uma saída de água (escoamento) de forma mais distribuída no tempo”.

O escoamento pode ser separado entre escoamento superficial e subterrâneo. O superficial ocorre quando a capacidade de infiltração do solo é

(a) (b)

Figura 4: a) Representação em planta de bueiro reto, (b) Representação em planta de bueiro esconso.

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excedida, e a precipitação escoa sob o solo, já o subterrâneo, que ocorre de forma mais lenta quando comparado ao superficial, acontece devido à infiltração da água na camada superior do solo, alimentando rios e lagos.

Segundo VILELA e MATOS (1975) o escoamento superficial é o mais importante para o engenheiro, pois “[...] a maioria dos estudos hidrológicos está ligada ao aproveitamento de águas superficiais e a proteção contra os fenômenos provocados pelo seu deslocamento”.

As características físicas de uma bacia são elementos de grande importância em seu comportamento hidrológico. De fato, existe uma estreita correspondência entre o regime hidrológico e estes elementos, sendo portanto de grande utilidade prática o conhecimento destes elementos. (VILLELA e MATTOS, 1975, p. 12).

Segundo Righetto (1998) as características fluvio-morfológicas de uma bacia, podem classificadas em: área da bacia, forma da bacia, características do relevo, declividade da bacia e declividade do álveo, cobertura do solo.

Silveira (2005) considera a área de uma bacia dado fundamental para definir seu potencial hídrico, já que o volume de água recebido pela bacia é função de sua área multiplicada pela lâmina da chuva.

Já a forma da bacia hidrográfica influencia diretamente no tempo de concentração.

Bacias com mesmas áreas, porém com formatos diferentes, apresentam comportamentos adversos. Podemos dizer que uma bacia mais alongada (fator de forma menor) em relação a uma mais arredondada, é menos susceptível à inundações devido ao fato de ser dificilmente atingida na sua integridade por chuvas intensas, tendo em vista, o escoamento não concentrar tão rapidamente quanto na bacia arredondada. (MELO et al., 2010, p. 14)

Righetto (1998) afirma que o relevo de uma bacia influencia diretamente nos fatores meteorológicos, já que a temperatura, a precipitação, e a evaporação variam conforme a altitude da área, e influencia também, nos fatores hidrológicos, pois o escoamento superficial se dá de forma mais veloz conforme maior declividade do terreno.

A ocupação do solo é um fator determinante quando nos referimos ao estudo das bacias hidrográficas, pois ela interfere diretamente no percentual de infiltração pluvial no solo, bem como no percentual e velocidade de escoamento para o exutório. As diferentes ocupações do solo resultam em áreas com valores de escoamento e

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infiltração variadas. Bacias em áreas rurais apresentam maior capacidade de infiltração e o escoamento sofre retardo devido a presença de vegetação.

“O escoamento sofre retardamento provocado pelo coberto vegetal que funciona como macrorugosidade, oferecendo resistência ao escoamento. Por outro lado, a intercepção da precipitação pelo coberto (e.g. árvores e arbustos) é fundamental para redução da quantidade e o impacto do escoamento. (Chaveca, 1999; Raminhos, 2002)”.

Além da interceptação vegetal, o volume escoado em uma bacia, também é influenciado pela constituição geológica do subsolo. Segundo Righetto (1998) a porosidade, o tamanho das partículas granulares ou o estado de fissuração são fatores que intervêm na capacidade de infiltração de um solo.

5.2.2 Dados Pluviométricos

“Para o dimensionamento de obras de drenagem e de manejo das águas, quando não se dispõem de dados de vazão, é necessário o conhecimento dos valores precisos das chuvas intensas (TUCCI, et al., 1995)”. Porém, no estado de Mato Grosso, a disponibilidade de dados de vazão são escassos, já que a sua obtenção está relacionada com altos custos.

Em contrapartida, dados de precipitação, apesar de limitados, estão disponíveis, o que permite a elaboração das curvas IDF da região estudada. No presente projeto de pesquisa, serão utilizados resultados encontrados em projetos anteriormente elaborados.

“No estado de Mato Grosso, a obtenção de dados que caracterizam o comportamento das chuvas é limitada. Segundo informações dispostas no site da Agência Nacional de Águas – ANA (2016) existe 173 estações com dados de chuvas no estado [...] foram utilizados dados históricos maiores de 30 anos objetivando a determinação das curvas IDF.(MANTOVANI E CRISPIM, 2016)”

5.2.3 Curva IDF

“Para o dimensionamento de galerias de águas pluviais, travessias de estradas de rodagens (bueiros), canais abertos ou fechados, são necessários modelos matemáticos usados em hidrologia. Não havendo um modelo matemático na cidade, adota-se o mais próximo. Sendo possível, faz-se uma equação das chuvas intensas para ser usada nos dimensionamentos hidrológicos (TOMAZ, 2002, p.31)”

A equação das chuvas intensas relaciona as precipitações máximas com sua duração, e com o risco de serem igualadas ou superadas. A determinação dessa relação é deduzida da observação das chuvas intensas em determinado local, e com

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período de tempo longo o suficiente para representar os eventos extremos que podem ocorrer.

As curvas IDF (intensidade-duração-frequência) serão obtidas por consulta aos trabalhos acadêmicos elaborados por Montovani e Crispim (2016), e Botan e Crispim (2014), na Universidade do Estado de Mato Grosso - UNEMAT.

O estudo realizado por Botan e Crispim (2014) estabelecem as curvas IDF para o município de Sinop-MT, baseadas nos dados da estação meteorológica Gleba Celeste, localizada na mesma. A equação foi construída com a série histórica de precipitações no intervalo dos anos de 1972 a 2012, sendo elaborada pela metodologia de séries anuais, com as durações de 5, 10, 15, 30, 45 minutos e 1, 2, 3, 6, 12, 24 horas. Assim, a curva IDF determinada para a cidade de Sinop, é expressa por:

Mantovani e Crispim (2016), ao obterem as equações para as curvas IDF dos municípios de Alta Floresta, Guarantã do Norte e Sorriso, utilizaram a mesma metodologia a cima descrita, analisando dados de três estações pluviométricas: Jusante Foz Peixoto de Azevedo, Cachimbo, Teles Pires, respectivamente. As séries históricas compreenderam o período de 15 anos, mas não há registros de alguns anos dentro dessa série, conforme Tabela 1:

Tabela 1: Estações pluviométricas

Municípios Alta Floresta Guarantã do Norte Sorriso Estação

pluviométrica

Jusante Foz Peixoto de Azevedo

Cachimbo Teles Pires

Período da série 1980-15 1984-15 1976-15

Anos sem dados 1988, 90, 91, 92 1991 1981, 82, 83, 91, 92, 93, 94

Fonte: Adaptado de Mantovani e Crispim (2016).

As equações determinada para o município de Alta Floresta, Guarantã do Norte e Sorriso, são apresentadas nas Equações 2, 3 e 4, respectivamente.

𝑖 =

881,02𝑇𝑟(𝑡+10,70)0,210,74 Equação 2

𝑖 =

866,38𝑇𝑟(𝑡+10,69)0,140,74 Equação 3 𝑖 = 672,36𝑇𝑟

0,35

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𝑖 =

735,80 𝑇𝑟(𝑡+10,70)0,220,74 Equação 4

Devido à lacuna de dados existentes, no processo de obtenção das equações acima, elas serão recalculadas antes de serem aplicadas no dimensionamento, utilizando a mesma metodologia e dados dos autores.

5.2.4 Tempo de recorrência

“Para as obras de engenharia, a segurança e a durabilidade frequentemente se associam a tempo ou período de recorrência, cujo significado se refere ao espaço de tempo em anos onde provavelmente ocorrerá um fenômeno de grande magnitude”

Os elementos de drenagem são dimensionados para o tempo de recorrência que permita à estrutura suportar a vazão máxima de enchente. O tempo de recorrência adotado leva em consideração a importância da obra a ser executada, bem como, seu eventual custo de reconstrução ou reparação.

“As dificuldades em estabelecer objetivamente o período de retorno fazem com que a escolha recaia sobre valores aceitos de forma mais ou menos ampla pelo meio técnico”. Para obras de arte correntes é sugerido pelo DNIT (2005) o tempo de recorrência de 10 a 20 anos, sendo ainda necessária a verificação do nível de água ao entorno para 25 anos. Já o DER/GO (2006) aconselha os seguintes períodos da Tabela 2:

Tabela 2 – Tempo de Retorno T Período de retorno em anos

T (anos) Utilização

5 Bueiro de grota e drenagem superficial 10 Bueiros em bacias até 1 km²

25 Bueiros em bacias entre 1 km² e 5 km²

25 Bueiros em bacias até 1 km² calculados como orifício 50 Bueiros em galerias em que 5 km²< A ≤ 10 km²

50 Bueiros em bacias entre 1 km² e 5 km² calculados como orifício 50 Pontes até 100 m

100 Pontes maiores que 100 m Fonte: DER-GO

5.2.5 Tempo de Concentração

Definido como o tempo necessário para que a água precipitada no ponto mais distante alcance o curso principal da bacia, o tempo de concentração, pode ser

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determinado por várias fórmulas, sendo aconselhado ser aplicado a que mais se aproxima das condições da bacia analisada.

Existem várias fórmulas para o cálculo do tempo de concentração de diversos autores. A Tabela 3 reúne alguns dessas.

Tabela 3 – Fórmulas para Tempo de Concentração

Autor Formulação Kerby 𝑇𝑐 = 37 (𝐿 × 𝑎𝐼 ) 0,47 Kirpich 𝑇𝑐 = 57 (𝐿 3 𝐻) 0,385 Pickman 𝑇𝑐 = 5,3 (𝐿 2 𝐼) 1 3 ⁄

U.S Corps de Engineers 𝑻𝒄 = 𝟎, 𝟑𝟎 ( 𝑳 𝑰𝟏⁄𝟒) 𝟎,𝟕𝟔 Ven Te Chow 𝑇𝑐 = 25,2 (𝐿 √𝐼) 0,64 ex-DNOS 𝑻𝒄 =𝟏𝟎𝑲 𝑨 𝟎,𝟑× 𝑳𝟎,𝟐 𝑰𝟎,𝟒 Kirpich – Modificada George Ribeiro Pasini 𝑻𝒄 = 𝟏, 𝟒𝟐 (𝑳 𝟑 𝑯) 𝟎,𝟑𝟖𝟓 𝑻𝒄 = 𝟏𝟔 𝑳 (𝟏, 𝟎𝟓 − 𝟎, 𝟐 𝒑𝒓)(𝟏𝟎𝟎 𝑰)𝟎,𝟎𝟒 𝑻𝒄 =𝟎, 𝟏𝟎𝟕 √𝑨 × 𝑳 𝟑 √𝑰 Fonte: Adaptado de DNIT (2005).

Esse projeto de pesquisa será realizado utilizando a formulação de Kirpich amplamente utilizada nos projetos de dimensionamentos. Segundo estudos realizados por SILVEIRA (2005) a fórmula de Kirpich, inicialmente indicada para bacias de área até 0,45 km², apresenta bons resultados para bacias maiores, entre

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153 km² a 11.162 km², apresentando erro de -9% na estimativa do tempo de concentração para bacias rurais; e 1% quando aplicada às bacias urbanas, com área de 4 ha até 2620 ha.

5.2.6 Vazão Máxima

Conforme Tucci (2009) a vazão máxima corresponde a um valor limite que pode ser ultrapassado ou igualado em um determinado período de tempo, assim, a vazão obtida para o dimensionamento do projeto deve reproduzir a situação crítica das precipitações em um espaço de tempo. Ainda segundo o mesmo, a vazão máxima influencia diretamente nos custos e na segurança dos projetos.

Em relação à segurança de um projeto, as cheias são definidas analisando os critérios econômicos e político-sociais. Desta forma, o dimensionamento do projeto deve comparar o custo-benefício da obra com os possíveis custos causados caso a vazão máxima seja extrapolada.

O projeto de dimensionamento exige que sejam realizados estudos hidrológicos da bacia, visando determinar a vazão de pico que deverá escoar pelo dispositivo. Para essa análise, existem dois métodos consagrados na Hidrologia: Método Racional e o Método do Hidrograma Unitário.

5.2.7 Método Racional

A vazão máxima a ser drenada pelo dispositivo pode ser calculada pelo Método Racional, relacionando a intensidade de precipitação, a área da bacia, e o coeficiente de deflúvio. Apesar, de amplamente utilizado, o método racional, exige cautela do projetista, pois o coeficiente de deflúvio é estimado de forma subjetiva, e interfere diretamente nos resultados obtidos.

[...] o método exige a definição de um único parâmetro expressando o comportamento da área na formação do deflúvio, consequentemente reunindo todas as incertezas dos diversos fatores que interferem nesse parâmetro, conhecido como coeficiente de deflúvio. (DNIT, 2005, p. 123)

A equação do método racional é expressa por:

𝑄𝑚á𝑥 = 0,278 𝐶 𝐼 𝐴 Equação 5

Onde 𝐼 = Intensidade de precipitação (mm/h); 𝐴 = área da bacia (km²); 𝐶 = coeficiente de deflúvio.

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5.2.7.1 Coeficiente de deflúvio

O coeficiente de deflúvio, conhecido também por coeficiente de escoamento superficial, ou “run-off”, relaciona a vazão vertente e a precipitação inicial, já que apenas parte do volume precipitado escoa superficialmente e parte infiltra no solo ou é interceptado.

As Tabelas 4, 5 e 6 a seguir apresentam o valor do coeficiente C determinado por diversos autores.

Tabela 4 – Coeficiente de deflúvio conforme Burkli-Ziegler

Ocupação do solo Coeficiente de deflúvio C

Áreas densamente construídas 0,70 - 0,75 Zonas residenciais comuns 0,55 - 0,65 Zonas urbanas (região montanhosa) 0,30 - 0,45 Campos de cultura (região plana) 0,20 - 0,30 Parques, jardins (plana c/ alagadiço) 0,15 - 0,25

Fonte: Adaptado de Jabôr (2015)

Tabela 5 – Coeficiente de deflúvio conforme R. Peltier / J.L. Bonnenfant Valores do coeficiente run-off "C"

Natureza da cobertura 0 < Área < 10 ha 10 ha < A < 400 ha < 5% 5% - 10% 10% - 30% > 30% < 5% 5% - 10% 10% - 30% > 30% Plataformas e pavimentos de estrada 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 Terrenos desnudos ou erodidos 0,55 0,65 0,70 0,75 0,55 0,60 0,65 0,70 Coberturas correntes e pequenos bosques 0,50 0,55 0,60 0,65 0,42 0,55 0,60 0,65 Matas e cerrados (região montanhosa) 0,45 0,50 0,55 0,60 0,30 0,36 0,42 0,50 Floresta comum (região plana) 0,30 0,00 0,50 0,60 0,18 0,20 0,25 0,30

(25)

Florestas densas (região plana com alagadiços)

0,20 0,00 0,30 0,40 0,15 0,18 0,22 0,25 Fonte: Adaptado de Jabôr (2015).

Tabela 6 – Coeficiente de deflúvio conforme Eng. Baptista Gariglio e José Paulo Ferrari

Tipo de solo, permeabilidade e cobertura vegetal Coeficiente deflúvio Solo rochoso, de baixa permeabilidade, com vegetação rala 0,70 a 0,85 Solo rochoso, de baixa permeabilidade, com vegetação densa 0,65 a 0,80 Solo rochoso, de média permeabilidade, com vegetação rala 0,60 a 0,75 Solo rochoso, de média permeabilidade, com vegetação densa 0,55 a 0,70 Solo argiloso, de baixa permeabilidade, com vegetação rala 0,50 a 0,65 Solo argiloso, de baixa permeabilidade, com vegetação densa 0,45 a 0,60 Solo argiloso, de baixa permeabilidade, com floresta 0,40 a 0,55 Solo argilo-arenoso, de média permeabilidade, com vegetação rala 0,35 a 0,50 Solo argilo-arenoso, de média permeabilidade, com vegetação densa 0,30 a 0,45 Solo argilo-arenoso, de média permeabilidade, com floresta 0,25 a 0,40 Solo argilo-arenoso, de alta permeabilidade, com vegetação rala 0,20 a 0,35 Solo argilo-arenoso, de alta permeabilidade, com vegetação densa 0,15 a 0,30 Solo argilo-arenoso, de alta permeabilidade, com floresta 0,10 a 0,25

Fonte: Adaptado de Jabôr (2015).

5.2.8 Método do Hidrograma Unitário

Segundo Tucci (2009), chama-se de hidrograma o gráfico que relaciona a vazão com o tempo. Nele estão representados todos componentes do ciclo hidrológico, desde a precipitação até a vazão final, sendo construído com base em dados históricos de vazão ou de precipitação. Segundo Tomaz (2013), o hidrograma resulta do escoamento superficial em 1 cm, em determinada duração.

Em caso de inexistência de dados históricos que registrem as precipitações e vazões das bacias, o Hidrograma Unitário é estimado pelo Hidrograma Unitário Sintético com a aplicação de fórmulas empíricas. Tomaz (2013) acrescenta que o hidrograma pode ser curvilíneo ou triangular, sendo que o curvilíneo apresenta melhores resultados e maior precisão.

Os métodos de traçado dos hidrogramas baseiam-se em determinar valores característicos como o tempo de pico ( 𝑇𝑝), o tempo de base (𝑡𝑏), e a vazão de pico

(𝑞𝑝), possibilitando o traçado do hidrograma sem necessidade de dados observados. O formato de um hidrograma típico é apresentado na Figura 2.

(26)

Figura 5: Hidrograma Tipo Fonte: Tucci (2004)

5.2.8.1 Método de Snyder

De acordo com Villela e Mattos (1975) foram estudadas diversas correlações para o desenvolvimento de hidrogramas unitários sintéticos. Entre esses estudos, Synder estabeleceu os seguintes fatores:

Tempo de pico:

𝑡𝑝1 = 𝐶𝑡 (𝐿. 𝐿𝑐𝑔)0,3 Equação 6

onde tp1 é expresso em horas, L corresponde ao comprimento do talvegue (km), 𝐿𝑐𝑔 a distância entre o centro de gravidade da bacia e o rio principal (km), e 𝐶𝑡

coeficiente que varia de 1,35 a 1,65. Tempo de duração da precipitação:

𝑡𝑟1 = 𝑡𝑝15,5 Equação 7

Vazão de pico para a precipitação de 1 cm, com duração de tr (horas):

𝑞𝑝 = 2,75 𝐶𝑝 𝐴

𝑡𝑝 Equação 8

sendo A= área da bacia, em km²; Cp coeficiente que varia de 0,56 a 0,69. O tempo de base do hidrograma é estimado por:

(27)

𝑡𝑏 = 3 + 𝑡𝑝8 Equação 9

Buscando facilitar o trabalho de traçar o diagrama, foram estimadas 2 curvas correspondentes a largura de 50% e 75% do pico:

𝑊75= 3,352 (𝑞𝑝⁄ )𝐴 1,08 Equação 10 𝑊50= 5,87 (𝑞𝑝⁄ )𝐴 1,08 Equação 11

5.2.8.2 Hidrograma Unitário Triangular

Segundo Aranda (2010) o hidrograma unitário triangular (HUT) é uma simplificação do método do hidrograma unitário proposto por Soil Conservation Service (SCS). A configuração do HUT, e seus componentes são identificados na Figura 6, onde:

𝑡𝑝 refere-se ao tempo de pico, calculado com base no tempo de concentração e a duração unitária da precipitação;

𝑡𝑟 é a duração da precipitação, em horas;

𝑡′𝑝 tempo, em horas, contato desde o início da precipitação;

𝑞𝑝 indica a vazão máxima;

𝑡𝑒 é o tempo excedente, em horas.

Figura 6: Configuração tipo do Hidrgrama Unitário Triangular e componentes. Fonte: Hidrologia: Ciência e aplicação (2009)

(28)

Neste método, a vazão precipitada equivale à área do triangulo determinado, assim, para 1 cm de precipitação, sobre a área da bacia A, em km², e 𝑡′𝑝 em horas, tem-se a Equação 12.

qp = 2,08 A t′

p Equação 12

O tempo 𝑡′𝑝 é o tempo contado do início da precipitação, expresso na Equação 13:

t′p = tr

2 + 0,60 Tc Equação 13

Para estimativa do tempo de concentração emprega-se a Equação 14.

tp= 0,6 tc Equação 14 Onde: tp= 2,6 L 0,8(S 25,4+1 )0,7 1900 y0,5 Equação 15 S = 25400CN − 254 Equação 16

Na qual, tp em horas, L= comprimento do talvegue em metros, y = declividade

em percentagem.

O parâmetro CN definido por uma escala com intervalo de 1 a 100 retrata as condições de cobertura do solo, partindo de uma cobertura impermeável (limite inferior), até uma cobertura completamente permeável (limite superior).

A classificação do solo é apresentada na Tabela 7, conforme suas características. Já da Tabela 8 afere-se o parâmetro CN, correlacionando o tipo de solo encontrado pela Tabela 7, com o tipo de superfície encontrada na bacia.

Tabela 7: Tipos de solos para auxilio da determinação do parâmetro CN Tipo de

solo Características

solo A solos que produzem baixo escoamento superficial, alta infiltração. Solos arenosos profundos com pouco silte e argila

solo B

solos menos permeáveis do que o anterior, solos arenosos menos profundos do que o tipo A e com permeabilidade superior à média

(29)

Continuação...

solo C

solos que geram escoamento superficial acima da média e com capacidade de infiltração abaixo da média, contendo

percentagem considerável de argila e pouco profundo

solo D

solos contendo argilas expansivas e pouco profundos com baixa capacidade de infiltração, gerando a maior proporção de

escoamento superficial.

Fonte: Adaptado de Tucci (2010) Tabela 8: Parâmetro CN

Uso do Solo Superfície A B C D

Solo lavrado com sulcos retilíneos em fileiras retas 77 70 86 80 91 87 94 90 Plantações regulares em curva de nível terraceado em nível em fileiras retas 67 64 64 77 76 76 83 84 84 87 88 88 Plantações de cereais em curva de nível terraceado em nível em fileiras retas 62 60 62 74 71 75 82 79 83 85 82 87 Plantações de legumes ou cultivados em curva de nível terraceado em nível pobres normais boas 60 57 68 49 39 72 70 79 69 61 81 78 86 79 74 84 89 89 94 80 Pastagens

pobres, em curva de nível normais, em curva de nível boas, em curva de nível

47 25 6 67 59 35 81 75 70 88 83 79 Campos permanentes normais

esparsas, de baixa transpiração normais

densas, de alta transpiração

30 45 36 25 58 66 60 55 71 77 73 70 78 83 79 77 Chácaras Estradas de terra normais más de superfície dura 56 72 74 75 82 84 86 87 90 91 89 92 Florestas

muito esparsas, baixa transpiração esparsas

densa, alta transpiração normais 56 46 26 36 75 68 52 60 86 78 62 70 91 84 69 76 Fonte: Adaptado de Tucci (2010)

5.3 ESTUDOS HIDRÁULICOS

Tomaz (2002) reitera a dificuldade da tarefa de análise de um bueiro. Apesar da simplicidade, as equações exigem cautela, pois variam conforme o bueiro esteja

(30)

submerso ou não, e também, conforme a saída do bueiro esteja submersa ou não. Assim, os bueiros são classificados em três categorias, conforme Figura 7:

a) Entrada e saída livre;

b) Entrada submersa com saída livre, ou tubo parcialmente cheio; c) Entrada e saída submersas.

Figura 7: Representação das categorias de bueiros, conforme entrada e saída. Fonte: Tomaz (2002)

5.3.1 Bueiros Tubulares

Conforme Jabôr (2016?), os bueiros quase em sua totalidade, são condutos curtos, e operam como orifícios, assim, seu dimensionamento hidráulico se dá através de monogramas com controle de entrada. Para o dimensionamento de bueiros tubulares novos admite-se a carga hidráulica máxima com a relação Hw/D=2, sendo Hw a altura do nível de água sobre o bueiro e D o diâmetro utilizado em tal.

O nomograma para bueiros tubulares de concreto é apresentado a Figura 8. Esse deve ser empregado quando a entrada do conduto está submersa, com a saída livre, ou quando a entrada e saída estão livres. Para bueiros que se enquadram, deve-se escolher ainda, o tipo de encaixe a deve-ser utilizado, dentre as opções, o nomograma

(31)

apresenta o encaixe macho e fêmea, ponta e bolsa, e bueiro saliente, identificados, respectivamente, por tipo (1), (2), e (3), destacados abaixo.

Como dado de entrada do nomograma, para cada categoria de encaixe, deve ser analisada a coluna de carga hidráulica correspondente, utilizando o ponto de carga igual a 2. Na coluna central identificada por Q em m³/s, deve ser localizada a vazão obtida pelos cálculos apresentados nos tópicos 5.2.7 e 5.2.8, tendo como dado de saída, o diâmetro D a ser utilizado, em centímetros.

(32)

Figura 8: Nomograma de carga hidráulica para bueiros tubulares de concreto. Fonte: Adaptado de Jabôr (2016?)

(33)

5.3.2 Bueiros Celulares

Para bueiros celulares novos, Jabôr (2016?) afirma que a carga hidráulica máxima deve corresponder a Hw/H= 1,2. Onde Hw corresponde a altura do nível de água sobre o bueiro, e H a altura encontrada para seu dimensionamento.

Assim como em bueiros tubulares, o dimensionamento é realizado com a utilização de um nomograma, apresentado na figura 10. Como dados de entrada devem ser localizados o ponto de carga hidráulica máxima e a vazão a ser vertida, tendo como dado de saída a altura a ser utilizada no projeto do bueiro. A carga hidráulica será localizada nas colunas graduadas, indicadas por (1), (2) e (3), que se aplicam, respectivamente, a bueiros com esconsidade de 30° a 75°, 90° a 15°, e 0°, a vazão a ser escoada será indicada na coluna central localizando o ponto correspondente a essa.

Figura 9: Nomograma de carga hidráulica para bueiros tubulares de concreto. Fonte: Adaptado de Jabôr (2016?)

(34)

5.3.3 Verificação Hidráulica

A importância da verificação da velocidade máxima de escoamento está relacionada com a prevenção de desgastes nos condutos e erosões no solo quando a água é lançada ao meio. Por outro lado, a velocidade mínima deve estimada para que se evite acúmulo de partículas sólidas, e para facilitar a limpeza, sendo recomendado 1 m/s. Segundo DNIT (2006b) a velocidade em um canal, pode ser calculada de forma empírica, com a equação de Manning (Equação 17):

𝑉 = 1𝑛𝑅2⁄3𝑆1⁄2 Equação 17

Sendo n = coeficiente de Manning, R raio hidráulico em metros, e S declividade (m/m).

O coeficiente de rugosidade de Manning é apresentado na Tabela 9, sendo que para os dimensionamentos será considerado o conduto executado em cimento com superfície acabada, em destaque:

Tabela 9: Valores dos coeficientes de rugosidade n para condutos diversos Material do conduto Valores do coeficiente de

rugosidade Ferro fundido

Revestido 0,010 0,011

Não revestido 0,011 0,014

Metálico com corrugação de 68 x 13 mm 0,019 0,021 Metálico com corrugação de 76 x 25 mm 0,021 0,025 Metálico com corrugação de 152 x 51 mm 0,024 0,028 Bueiros para processo não destrutivo 0,024 0,028 Cimento

Superfície acabada 0,010 0,013

Argamassa 0,011 0,013

Canais abertos revestidos Concreto, com superfície de:

Acabamentos a colher 0,011 0,012

Acabamentos a desempenadeira 0,013 0,015 Acabamento com cascalhos no fundo 0,015 0,017

Sem acabamento 0,014 0,017

Sobre escavação em rocha boa 0,017 0,02 Sobre escavação em rocha irregular 0,022 0,027

Fonte: Adaptado de DNIT (2006b)

Apresenta-se na Tabela 10 a velocidade máxima admissível conforme a cobertura superficial do bueiro, sendo assim, determinada a 4,50 m/s nos processos de dimensionamento desse projeto.

(35)

Tabela 10: Velocidade máxima para dutos. Cobertura Superficial

Velocidade Máxima (m/s)

Grama comum firmemente

implantada 1,50 - 1,80

Tufos de grama com solo exposto 0,60 - 1,20

Argila 0,80 - 1,30 Argila coloidal 1,30 - 1,80 Lodo 0,35 - 0,85 Areia fina 0,30 - 0,40 Areia média 0,35 - 0,45 Cascalho fino 0,50 - 0,80 Silte 0,70 - 1,20 Alvenaria de tijolos 2,50 Concreto de cimento portland 4,50 Aglomerados consistentes 2,00 Revestimento betuminoso 3,00 - 4,00

Fonte: DNIT (2006b).

5.3.3.1 Bueiros Tubulares

Ainda conforme com DNIT (2006c) as grandezas hidráulicasde raio hidráulico, área molhada, perímetro molhado, profundidade hidráulica, podem ser obtidas em relação ao ângulo α, como apresentado na Figura 10.

Figura 10: Grandezas hidráulicas para bueiros tubulares. Fonte: Adaptado de DNIT (2006b).

Onde:

d = altura do nível de água (m) Ø = diâmetro do tubo (m)

(36)

T= largura da superfície de fluxo

O ângulo α é deduzido por meio de relações, levando em consideração a altura prevista do tirante d, e o diâmetro da tubulação Ø (Equação 18).

cos𝛼2 = 1 − 2𝑑Ø Equação 18: Ângulo α

As demais relações são apresentadas na tabela:

Tabela 11: Relações hidráulicas para seção tubular.

Grandezas Hidráulicas Formulação

Área molhada 𝐴 = 𝛼 − 𝑠𝑒𝑛 𝛼 8 × ∅2 Perímetro molhado 𝑃 = 𝛼 2× ∅ Raio hidráulico 𝑅 = 𝐴𝑃

Largura da superfície livre de fluxo 𝑇 = sin

𝛼 2× ∅

Profundidade hidráulica ℎ = 𝐴𝑇

Fonte: Adaptado de DNIT (2006b).

De acordo com DNIT (2006b), o enchimento da tubulação, dado em porcentagem, é obtido através da relação entre o tirante normal e o diâmetro da tubulação. Para a determinação do tirante normal faz-se o uso da Equação 19.

𝐾 =

𝑄

√𝑖 Equação 19

Na qual, K corresponde ao fator de condução, Q = deflúvio a escoar (m/s), i = declividade do bueiro (m/m).

A partir do valor de K, obtém-se o argumento c2 por meio da Equação 20.

𝑐

2

=

∅8 3𝐾⁄

𝑛

(37)

Com o uso da Tabela 12 determina-se a relação entre o enchimento e o diâmetro da tubulação, conhecendo o diâmetro utilizado obtém-se diretamente o valor de d através da Equação 21. 𝑑 = 𝑐2 × ∅ Equação 21 Tabela 12: Determinação de ∅ 8 3⁄ 𝑛 e ∅5 2 ⁄ Diâmetro ز ∅8 3⁄ n ∅ 5 2⁄ m m² n = 0,013 n=0,015 0,1500 0,0225 0,4615 0,0087 0,2000 0,0400 1,0769 0,0179 0,2300 0,0529 1,5385 0,0254 0,2500 0,0625 1,9231 0,0312 0,3000 0,0900 3,0769 2,6667 0,0493 0,3800 0,1444 5,8462 0,0890 0,4000 0,1600 6,6923 5,0000 0,1012 0,4500 0,2025 8,6154 0,1358 0,5000 0,2500 12,0770 1,4670 0,1769 0,6000 0,3600 19,6920 17,0670 0,2789 0,7000 0,4900 26,6920 25,7330 0,4100 0,8000 0,6400 42,4620 36,8000 0,5724 0,9000 0,8100 58,0770 50,3330 0,7684 1,0000 1,0000 76,9230 66,6670 1,0000 1,1000 1,2321 99,2310 86,0000 1,2691 1,2000 1,4400 125,3850 108,6670 1,5774 Fonte: DNIT (200b) 5.3.3.2 Bueiros Celulares

As grandezas hidráulicas para os celulares são apresentadas na Figura 11.

Figura 11: Grandezas hidráulicas para bueiro celular Fonte: Adaptado de DNIT (2006b)

Onde:

(38)

B = base da seção

D = altura do nível de água A = área molhada

Com as grandezas relacionadas são obtidas as seguintes equações listadas na Tabela 13.

Tabela 13: Relações hidráulicas para seção retangular.

Grandezas Hidráulicas Formulação

Área molhada 𝐴 = 𝐵 × 𝑑

Perímetro molhado 𝑃 = 𝐵 + 2𝑑

Raio hidráulico 𝑅 = 𝐴𝑃

Profundidade hidráulica ℎ = 𝐴𝑇

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6 METODOLOGIA

O presente estudo tem como finalidade comparar os métodos para dimensionamentos de bueiros, sendo eles, o Método Racional e o Método do Hidrograma Unitário. Para a consolidação do que se propõe, serão estudadas bacias contribuintes situadas na região norte do estado de Mato Grosso. O estudo será particionado em três estapas, sendo a primeira selecionar as bacias contribuintes; a segunda, dimensionar as estruturas aplicando os métodos; e por fim, comparar as estruturas resultantes.

6.1 CARACTERIZAÇÃO DAS ÁREAS DE ESTUDO

As bacias a serem estudadas estão compreendidas na mesorregião norte-matogrossense. Segundo o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística

(IBGE,2017), o estado é dividido em mesorregiões, como mostrado na Figura 12.

Figura 12: Divisão do estado do Mato Grosso em Mesorregiões Fonte: Adaptado de IBGE (2017)

(40)

A mesorregião Norte Mato-Grossense compreende 55 municípios, segundo Souza et al. (2016) apresenta um clima quente e úmido, com estação chuvosa definida entre os meses de outubro a abril, a precipitação anual varia de 1850 mm a 2400 mm, a vegetação presente possui características concernentes à Floresta Amazônica, Cerrado, e uma faixa de transição Cerrado-Amazônia.

6.1.1 Definição das bacias

A primeira etapa para a seleção das bacias será a delimitação de uma malha contendo as principais vias não pavimentadas da região, de onde serão escolhidos, aleatoriamente, os pontos em que serão dimensionados os bueiros. A prévia marcação do ponto para o qual será dimensionada a estrutura de drenagem, se dará no programa Google Earth Pro, com o objetivo de pré visualizar a ocupação do solo no local.

Posteriormente, esses pontos pré-secionados serão transferidos à ferramenta SIG, para que seja possível determinar a bacia de contribuição do ponto selecionado, bem como sua inclinação. A bacia de contribuição será exportada também ao software AutoCad, para a obtenção de parâmetros utilizados na determinação da vazão de projeto, como área da bacia, e comprimento do talvegue.

O Atlas Hidrogeológico do Brasil ao Milionésimo, disponibilizado pelo Serviço Geológico do Brasil, auxiliará na definição da litologia do solo local. Para tal, serão utilizadas as folhas que compõem o norte do Estado do Mato Grosso, sendo elas: SC-21, SD-20, e SD-21.

(41)

Figura 13: Divisão do Atlas Hidrogeológico do Brasil ao Milionésimo em suas 46 folhas. Fonte:CPMR (2017)

Para fins de comparação, as bacias escolhidas apresentarão diversos tamanhos, variações de inclinação, e ocupação do solo entre urbana ou rural.

6.1.2 Coleta de Dados

Para cálculo da vazão a ser esgotada pelo dispositivo se faz necessária obtenção dos dados de precipitação, tais serão retirados do site da Agência Nacional de Águas – ANA (2017), utilizando as estações pluviométricas das bacias hidrográficas referentes aos locais selecionados.

Com os dados das precipitações, as curvas IDF dos municípios de Alta Floresta, Guarantã do Norte e Sorriso serão reformuladas, com o objetivo de corrigi-las, sendo usada como base a metodologia de cálculo apresentada por Mantovani e Crispim (2016).

A curva IDF a ser utilizada para determinar a intensidade de precipitação do município de Sinop será mantida como obtida por Botan e Crispim (2014).

6.1.3 Tempo de Recorrência

O tempo de recorrência a ser empregado do cálculo da vazão será de 25 anos, visto que assim, atende-se simultaneamente aos critérios apresentados por DER/GO (2006) e DNIT (2005).

(42)

6.1.4 Tempo de Concentração

Devido aos bons resultados encontrados por SILVEIRA (2005), o tempo de concentração será calculado utilizando a formulação proposta por Kirpich:

𝑇𝑐 = 1,42 (𝐿𝐻3)0,385 Equação 22

Onde, L = comprimento do talvegue (km), e H = diferença das altitudes do ponto mais distante do talvegue e o do exutório.

6.2 DIMENSIONAMENTO DAS ESTRUTURAS

Com os dados determinados anteriormente a próxima estimativa tratará da vazão a ser desaguada pela estrutura.

6.2.1 Método Racional

A aplicação da fórmula do método racional será realizada utilizando a Equação 5, admitindo para o coeficiente C os dados extraídos da Tabela 5. Nas bacias que apresentarem mais de uma natureza de cobertura do solo, será considerada a média ponderada, dividindo a bacia em áreas menores, conforme suas coberturas do solo (Equação 23).

𝐶 = ∑

(𝑐×𝐴)𝐴

Equação 23

Onde, C = coeficiente de deflúvio da bacia, a = área parcial da bacia relacionada ao tipo de uso do solo, e c = coeficiente de deflúvio da área parcial da bacia.

6.2.2 Método do Hidrograma Unitário Triangular

O hidrograma de projeto será determinado pelo Método do Hidrograma Unitário Triangular, aplicando as equações 12, 13, 14 e 15. Para o tempo de concentração será utilizado o mesmo calculado para o Método Racial. A partir dele, e fixando o tempo de duração da precipitação, poderão ser estimadas as demais variáveis necessárias, possibilitando a delimitação da área do triângulo, que representa a vazão a ser escoada pelo bueiro.

A origem do solo da bacia contribuinte, assim como, a capacidade de infiltração do solo, são consideradas na composição do hidrograma, ao ser calculado o

(43)

parâmetro S, que depende diretamente do fator CN, responsável por retratar as condições de cobertura e do solo. O Coeficiente CN será extraído com o uso das tabelas 7 e 8.

6.2.3 Dimensionamento Hidráulico

O cálculo das vazões das bacias, com os dois métodos, possibilitará o dimensionamento hidráulico dos bueiros. O projeto de pesquisa considerará os bueiros tubulares operando como orifícios, com entrada e saída livres, e carga hidráulica máxima igual a 2. Já os celulares deverão ter carga hidráulica máxima de 1,2.

Os bueiros dimensionados serão do tipo tubular ou celular, executados em concreto. Segundo DNIT (2006c) os celulares devem ter encaixe do tipo ponta e bolsa, assim, a coluna de carga hidráulica utilizada no nomograma (figura 8) deve ser a indicada por (2). Quando dimensionados como celular, a coluna de carga hidráulica a ser utilizada estará em função da esconsidade do bueiro.

Com a determinação das dimensões a serem utilizadas, será possível calcular as grandezas hidráulicas apresentadas em 5.3.3.1 e 5.3.3.2, com o objetivo de verificar o atendimento às condições de velocidade máxima e mínima.

Ressalta-se que as dimensões das seções estarão condicionadas às que são fabricadas na região, sendo elas listadas na Tabela 14.

Tabela 14: Dimensões para bueiros (metros)

Tubular (diâmetro) Celular (base x altura)

0,80 1,80 x 1,80 1,00 2,00 x 2,00 1,20 2,50 x 2,50 1,50 3,00 x 3,00 3,00 x 3,50 Fonte: Autor (2017)

6.3 COMPARAÇÃO DE RESULTADOS

Após obter as vazões de projeto, pelos dois métodos e dimensionar as estruturas utilizando ambas vazões, os bueiros serão comparados, a fim de determinar e quantificar a influência da escolha do método, no dimensionamento da estrutura final. Pretende-se comparar também, a influência dos coeficientes C e CN no dimensionamento, ao confrontar a estrutura calculada para uma mesma bacia, alterando apenas os valores adotados para os coeficientes.

(44)
(45)

7 CRONOGRAMA

ATIVIDADES

2018

JAN FEV MAR ABR MAI JUN

Investigação das áreas de bacias

Obtenção de curvas IDF

Cálculo das vazões máximas

Dimensionamento das estruturas

Comparação entre resultados obtidos

Redação do trabalho

Revisão e entrega oficial

(46)

8 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO

Referência:

ANA – Agência Nacional de Águas. Seleção de Estações, disponível em:

http://www.ana.gov.br/PortalSuporte/frmSelecaoEstacao.aspx. Acesso em:

01/12/2017.

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Referências

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