Manual de Hidraulica

AZEVEDO NETTO\nMIGUEL FERNÁNDEZ Y FERNÁNDEZ\nmanual de HIDRÁULICA\n9ª edição\nBlucher APOIO CULTURAL\nEste volume foi impresso por encomenda da\nSAINT-GOBAIN CANALIZAÇÃO\npara distribuí-lo aos seus clientes.\n(www.sgpm.com.br) MANUAL\nDE\nHIDRÁULICA CONTEÚDO\n\nPARTE A CONCEITUAL\nA-1 Princípios Básicos, 15\nA-2 Hidrostática, 35\nA-3 Equilíbrio dos Corpos Flutuantes, 51\nA-4 Hidrodinâmica, 57\nA-5 Orifícios, Bocais e Tubos Curtos, 71\nA-6 Vertedores, 91\nA-7 Escoamento em Tubulações, 109\nA-8 Cálculo do Escoamento em Tubulações sob Pressão, 139\nA-9 Condutos Forçados, 193\nA-10 Acessórios de Tubulações, 217\nA-11 Bombeamentos, 255\nA-12 Golpe de Aríete/Transiente Hidráulico, 293\nA-13 Sistemas de Tubulações, 309\nA-14 Condutos Livres ou Canais, 327\nA-15 Hidrometria, 371 12\nPARTE B HIDRÁULICA APLICADA\nB-I Sistemas Urbanos, 405\nB-I.1 Sistemas Urbanos de Abastecimento de Água, 407\nB-I.2 Sistemas Urbanos de Esgotos Sanitários, 445\nB-I.3 Sistemas de Drenagem Pluvial, 468\nB-II Instalações Prediais, 497\nB-II.1 Instalações Prediais de Água, 499\nB-II.2 Instalações Prediais de Esgotos, 511\nB-II.3 Instalações Prediais de Águas Pluviais, 519\nB-III Hidráulica Aplicada à Irrigação, 529\nB-III.1 Uso da Água pelas Culturas Agrícolas, 531\nB-III.2 Características do Solo, 535\nB-III.3 Métodos de Irrigação, 537\nB-III.4 Elaboração de Projeto – Dimensionamento, 548\nB-IV Diversos, 607\nB-IV.1 Bombas e Casas de Bombas, 569\nB-IV.2 Medições – Indicações e Cuidados na Medição de Vazões, 583 Capítulo A-1\nPrincípios Básicos\n\nA-1.1 CONCEITO DE HIDRÁULICA – SUBDIVISÕES\nO significado etimológico da palavra Hidráulica é “condução de água” (do grego hydor, água e aulos, tubo, condução).\n\nEntretanto, atualmente, empresta-se ao termo Hidráulica um significado muito mais lato: é o estudo do comportamento da água e de outros líquidos, quer em repouso, quer em movimento.\n\nA Hidráulica pode ser assim dividida:\n\n• Hidráulica Geral ou Teórica\n• Hidrostática\n• Hidrometria\n• Hidrodinâmica\n\nHidráulica Aplicada ou Hidrotécnica\n\nA Hidráulica Geral ou Teórica aproxima-se muito da Mecânica dos Fluidos.\n\nA Hidrostática trata dos fluidos em repouso ou em equilíbrio. A Hidrodinâmica estuda velocidades e trajetórias, sem considerar forças ou energia. A Hidrodinâmica refere-se às velocidades, às acelerações e às forças que atuam em fluidos em movimento.\n\nA Hidráulica, em face das características dos fluidos reais, que apresentam grande número de variáveis físicas, o que tornava seu estudo igualmente atraente e complexo, até mesmo insolúvel, derivou para a adoção de certas simplificações tais como a abstração do atrito interno, trabalhando com o denominado “fluido perfeito”, baseado em uma ciência matemática com aplicações práticas bastante limitadas.\n\nOs engenheiros, que necessitavam resolver os problemas propostos, buscaram formas de simplificar suas pesquisas, voltando-se para a experimentação, desde então eram atendiam suas necessidades. 18\n\nque permitem trabalhar com sistemas de equações de grande complexidade, em pouco tempo a Hidráulica desenvolveu-se e é hoje instrumento não apenas teórico-matemático, mas de valor prático indiscutível.\n\nA Hidráulica Aplicada ou Hidrotecnica é a aplicação concreta ou prática dos conhecimentos científicos de Mecânica dos Fluidos e a observação critérios dos fenômenos relacionados à água, quer parada, quer em movimento.\n\nAs áreas de atuação da Hidráulica Aplicada ou Hidrotecnia são:\n\nUrbana:\n\n- Sistemas de abastecimento de água\n- Sistemas de esgotamento sanitário\n- Sistemas de drenagem pluvial\n- Canais\n\nRural:\n\n- Sistemas de drenagem\n- Sistemas de irrigação\n- Sistemas de digação potável e esgotos\n\nInstalações prediais:\n\n- Industriais\n- Comerciais\n- Residenciais\n- Públicas\n\nLazer e paisagismo\n- Descarte de resíduos\n- Geração de Energia\n- Navegação e Obras Marítimas e Fluviais\n- Dragagens/Aterros Hidráulicos\n\nOs instrumentos utilizados para a atividade profissional de Hidrotecnia são:\n- análogos\n- cálculos teóricos e empíricos\n- modelos reduzidos físicos\n- modelos matemáticos de simulação\n- hidrologia/estatística\n- arte\n\nOs acessórios, materiais e estruturas utilizados na prática da Engenharia Hidráulica ou Hidrotecnia são:\n- aterros\n- barragens\n- bombas\n- cais de ports\n- canais\n- comportas\n- diques\n- dragas\n- drenos\n\n- eclusas\n- encerramentos\n- flutuantes\n- medidores\n- orifícios\n- poços\n- reservatórios\n- tubos e canos\n- turbinas\n- válvulas\n- vertedores\n- etc. Capítulo A-2\n\nHidroestática\n\nPressões e Empuxos\n\nA-2.1 CONCEITOS DE PRESSÃO E EMPUXO\n\nQuando se considera a pressão, implicitamente relaciona-se uma força a unidade de área sobre a qual ela atua.\n\nConsiderando-se, no interior de certa massa líquida, uma porção de volume V, limitada pela superfície A (Figura A-2.1-a), se A representar um elemento dessa superfície e dF a força que nela atua (perpendicular), a pressão será:\n\np = - dF\n\nA\n\nConsiderando-se toda a área, o efeito da pressão produzirá uma força resultante que se chama empuxo, sendo, às vezes, chamada de pressão total. Essa força é dada pelo valor da seguinte integral:\n\nE = - ∫ p × dA\n\nA\n\nSe a pressão for a mesma em toda a área, o empuxo será E = p × A.\n\nFigura A-2.1-a — Representação do conceito de pressão. A-2.2 LEI DE PASCAL(1)\n\nEnuncia-se:\n\n\"Em qualquer ponto no interior de um líquido em repouso, a pressão é a mesma em todas as direções.\"\n\nPara demonstrá-lo, pode-se considerar, no interior de um líquido, um prisma imaginário de dimensões elementares: largura dx, altura dy e comprimento unitário. A Figura A-2.2-a mostra as pressões nas faces perpendiculares ao plano do papel.\n\nPara a direção Y:\n∑F_y = 0\np_y × dx - p_s × dx cosθ + dy -\n p_s × dx cosθ + γ x dx dy\n\nComo o prisma tem dimensões elementares, o último termo (peso), sendo diferencial da segunda ordem, pode ser desprezado.\n\nAssim, sendo cos θ = dx/ds,\n\np_y × dx - p_s × dx × dz/ds - p_s × dx\n\nLogo,\np_y - p_s\n\ne, portanto,\np_s - p_y = p_y - p_s\nA pressão hidrostática, tão conhecida, é uma importante aplicação (Figura A-2.2-b).\n\nF_2 = F_1 × \nA_2\nA_1\n\nonde\n\nF_1 = esforço aplicado\nF_2 = força obtida\nA_1 = seção do êmbolo menor (π × D¹/₄)\nA_2 = seção do êmbolo maior (π × D²/₄)\n\nA-2.3 LEI DE STEVIN: PRESSÃO DEVIDA A UMA COLUNA LÍQUIDA\n\nImaginando-se, no interior de um líquido em repouso, um prisma ideal e considerando-se todas as forças que atuam nesse prisma (Figura A-2.3-a) segundo a vertical, deve-se ter\n\n∑F_y = 0\n\ne, portanto,\n(p1 × A1) + (γ × h × A1) - (p2 × A2) - 0\n(γ é o peso específico do líquido), obtendo-se\n\np2 - p1 = γ × h\n\nlei que se enuncia:\n\n\"A diferença de pressões entre dois pontos da massa de um líquido em equilíbrio é igual à diferença de profundidade multiplicada pelo peso específico do líquido.\" Capítulo A-3\n\nEquilíbrio dos Corpos Flutuantes\n\n\"Um corpo imerso em um fluido sofre uma força de baixo para cima, denominada empuxo, igual ao peso do volume do fluido deslocado. Quando o 'empuxo' é maior que o peso do corpo, este flutua.\" Arquimedes (287 a.C.)\n\nA-3.1 CORPOS FLUTUANTES – CARENA\n\nCorpos flutuantes são aqueles cujos pesos são inferiores aos pesos dos volumes de líquido do que eles podem deslocar. Pelo teorema de Arquimedes, eles sofrem um impulso igual e de sentido contrário ao peso do líquido deslocado, permanecendo na superfície líquida.\n\nEm outras palavras, para que um corpo flutue, sua densidade aparente deve ser menor que a do líquido: o peso total do corpo iguala-se ao volume submerso multiplicado pelo peso específico do líquido.\n\nChama-se carena ou quinaena a porção imersa do flutuante.\n\nO centro de gravidade da parte submersa, que se denomina centro de carena (C), é o ponto de aplicação do empuxo.\n\nNos navios, geralmente C encontra-se de 20 a 40% da largura (medido do NA para a quilha).\n\nDefine-se calado como sendo a distância entre a quilha do navio e a linha de flutuação h (Figura A-3.1).\n\nA-3.2 EQUILÍBRIO ESTÁVEL\n\nDiz-se que um corpo está em equilíbrio estável quando qualquer mudança de posição, por menor que seja, introduz forças ou momentos tendentes a fazer o corpo retornar à sua posição primitiva.\n\nO equilíbrio sempre será restável nos casos dos corpos flutuantes cujo centro de gravidade (G) ficar abaixo do centro de carena, o que resulta nos casos de formas largas, irregulares e não homogêneas.