ABSTRACT This note proposes a technical approach towards the disaster occurred on January 8, 2022, in the tourism region of Capitólio (Minas Gerais state, Brazil), where a massive quartzite rock broke from a cliff and toppled on to pleasure boaters drifting on a lake, leaving 10 people dead and 30 others injured. Even though the rockfall was decisive in the tragedy, it is reasonable to affirm that the submersion-wave impact certainly potentialized the accident. Along these lines, this work not only aims to videographically explore the geometric / kinematic characteristics of the solid block, but also to discuss the specificities pertaining the event. Lastly, with basis on the Noda Method (1970), this manuscript also estimates the resulting wave amplitude (near the impact) and the energy-transfer coefficient between the block and the body of water.

RESUMO Esta nota propõe uma abordagem técnica para o desastre ocorrido em 8 de janeiro de 2022, na região turística de Capitólio (MG), onde uma enorme rocha quartzítica se desprendeu de um penhasco e tombou sobre barqueiros de recreio à deriva em um lago, deixando 10 mortos e outros 30 feridos. Ainda que a queda da rocha tenha sido decisiva na tragédia, é razoável afirmar que o impacto da onda de submersão certamente potencializou o acidente. Nessa linha, este trabalho não só tem como objetivo explorar videograficamente as características geométricas/cinemáticas do bloco sólido, mas também discutir as especificidades pertinentes ao evento. Por fim, com base no Método de Noda (1970), este manuscrito também estima a amplitude de onda resultante (próxima ao impacto) e o coeficiente de transferência de energia entre o bloco e o corpo d'água.

ABSTRACT Non-Newtonian rheology effects, such as pseudoplasticity and viscoplasticity, are understood as shear stresses, incorporated to the energy slope term in the Shallow-Water Equations (SWE). However, non-Newtonian shear stresses are dependent of the shear rate, whose formulation is a function of the gradient of the velocity profile in the bottom. This study investigated two shear rate formulations that are commonly applied in the SWE literature: 1) a non-parameterized function; and 2) a function based on the Herschel-Bulkley rheological model. Their influence in steady uniform flows of non-Newtonian fluids was evaluated through numerical-theoretical comparisons. A Lax-Friedrichs scheme was implemented to solve the SWE system and allowed employing the shear rate formulations. Experimental tests were carried out and numerical simulations of hypothetical scenarios were performed. It was found that the non-parameterized formulation presented deviation in normal depth up to 14% in comparison with theoretical solution, while the formulation based on the Herschel-Bulkley model provided a good agreement, corroborated by punctual Computational Fluid Dynamics simulations (deviation less than 2%) and experimental data. The ratio of both shear rate formulations is strongly correlated to the deviation of normal depth, indicating that the non-parameterized shear rate function does not provide an acceptable result in the steady uniform flow.

RESUMO Efeitos de reologia não-Newtoniana, como pseudoplasticidade e viscoplasticidade, são interpretados como tensões cisalhantes, incorporados à declividade da linha de energia nas Equações de Águas Rasas. Entretanto, tensões de cisalhamento devido a efeitos não-Newtonianos são dependentes da taxa de deformação, cuja formulação é função do gradiente do perfil de velocidade no fundo do canal. No contexto do sistema de Equações de Águas Rasas, este estudo investigou duas formulações de taxa de deformação comumente empregadas na literatura: a primeira é uma função não-parametrizada e a segunda é uma função baseada no modelo reológico de Herschel-Bulkley. A influência dessas formulações em escoamentos permanentes e uniformes idealizados de fluidos não-Newtonianos foi avaliada através de comparações numéricas e teóricas. O esquema Lax-Friedrichs de diferenças finitas foi implementado para resolver o sistema de Equações de Águas Rasas e permitiu empregar as formulações de taxa de deformação. Várias simulações numéricas de cenários hipotéticos e casos experimentais foram executadas. Observou-se que a formulação não-parametrizada apresentou desvios na solução da lâmina normal até 14% em comparação com a solução teórica, enquanto que a formulação baseada no modelo de Herschel-Bulkley forneceu uma boa confrontação, corroborada por simulações pontuais de Fluidodinâmica Computacional (desvio de menos de 2%) e dados experimentais. A razão entre ambas formulações está fortemente correlacionada com o desvio na solução da lâmina normal, o que indica que a formulação não-parametrizada de taxa de deformação não produz resultados aceitáveis em escoamentos permanentes e uniformes.

RESUMO O modelo numérico SWAN (Simulating WAves Nearshore) tem sido usado e validado em vários estudos de regiões costeiras abertas e estuarinas. Sua aplicação em águas interiores ou restritas (reservatório de barragens) não é apenas inovadora e desafiadora, mas também uma importante contribuição científica, preenchendo uma lacuna na literatura. Analisamos o desempenho do SWAN na caracterização da agitação causada pela ação das ondas geradas pelo vento no reservatório da barragem de Ilha Solteira, considerando velocidades de vento medidas e uma complexa batimetria. A área estudada está próxima a um trecho da hidrovia Tietê-Paraná, no Brasil. As condições do vento foram obtidas por um anemômetro sônico 2D instalado no reservatório durante uma das campanhas de medição, por um período de 3 meses. As estimativas da amplitude das ondas geradas no reservatório foram comparadas com as medidas da elevação da superfície livre obtidas por um sensor de pressão Druck instalado no reservatório da barragem, a cerca de 300 m da margem (já em águas intermediárias/profundas), e a 1,0 m de profundidade. Os resultados obtidos (amplitudes e períodos de onda) mostraram-se promissores e, com alturas significativas superestimadas, poderiam ser utilizados em nível de anteprojetos de engenharia.

ABSTRACT The SWAN (Simulating WAves Nearshore) numerical model has been used and validated in numerous studies of open coastal and estuarine regions. Its application on inland or restricted waters (dam reservoir) is not only innovative and challenging, but also an important scientific contribution, filling a gap in the literature. We analyze the performance of the SWAN in the characterization of the agitation caused by the action of wind waves in the reservoir of the Ilha Solteira dam, considering measured wind velocities and a complex bathymetry. The studied area is close to a segment of the Tietê-Paraná waterway, in Brazil. Wind conditions were obtained by a 2D sonic anemometer installed in the reservoir during one of the measurement campaigns, for a period of 3 months. The estimates of the amplitude of waves generated in the reservoir were compared with measurements of the free surface elevation obtained by a Druck pressure sensor installed in the reservoir of the dam, about 300 m from the margin (already in intermediate/deep waters), and 1.0 m deep. The results obtained (amplitudes and wave periods) were shown to be promising and, albeit with significative heights overestimated, could be used for engineering preliminary drafts.

RESUMO A análise do comportamento reológico pode englobar diferentes materiais, entre eles os cimentícios, como pastas, argamassas e concretos que, no estado fresco, se comportam como fluidos. Em geral, o controle de qualidade destes materiais no estado fresco é efetuado por meio de ensaios empíricos que visam qualificar propriedades como consistência, fluidez, entre outras. Entretanto, os testes empíricos não são capazes de caracterizar completamente o comportamento reológico dos materiais cimentícios, sendo necessário para isto recorrer aos ensaios reométricos, nos quais é possível obter os parâmetros reológicos fundamentais – viscosidade e tensão limite de escoamento – desses compósitos. A caracterização reológica dos materiais cimentícios envolve a determinação de parâmetros reológicos de suspensões complexas, compostas por diversos materiais constituintes que interagem entre si, sob o ponto de vista químico e físico. Outros fatores, tais como geometria do equipamento, temperatura, energia de mistura, protocolo de ensaio, também podem influenciar na determinação das propriedades reológicas desses compósitos. Nesse sentido, o presente estudo procurou avaliar a influência da energia de mistura e do pré-cisalhamento nas propriedades reológicas de pastas de cimento. Para tanto, foram estudadas amostras com relações água/cimento iguais a 0,40, 0,45, 0,50, 0,55, 0,60 e 0,65, em massa. Dois níveis de energia de mistura foram empregados: mistura de baixa intensidade (rotação máxima igual a, aproximadamente, 270 rpm), com argamassadeira planetária; e mistura de alta intensidade (rotação máxima igual a, aproximadamente, 12.000 rpm), com misturador de alto cisalhamento. Foram instituídos dois protocolos de ensaio, sendo um com pré-cisalhamento nulo (repouso por 90 s da amostra no reômetro) e outro com aplicação de taxa de deformação constante igual a 100 s–1, durante 60 s, seguido de repouso do material por 30 s. Os resultados obtidos indicaram que a energia de mistura e o pré-cisalhamento influenciam significativamente o comportamento reológico das pastas de cimento com maior volume de sólidos (relação a/c ≤ 0,45).

ABSTRACT The analysis of rheological behavior can encompass different materials, including cementitious materials, such as pastes, mortars and concretes, which, in fresh state, behave like fluids. In general, the quality control of these materials in fresh state is carried out through empirical tests that aim to qualify properties such as consistency, fluidity, among others. However, empirical tests are not able to completely characterize the rheological behavior of cementitious materials, being necessary for this to carry out rheometric tests, in which it is possible to obtain the fundamental rheological parameters – viscosity and yield stress – of these composites. Rheological characterization of cementitious materials involves the determination of rheological parameters of complex suspensions, composed of different constituent materials that interact with each other, from a chemical and physical point of view. Other factors, such as equipment geometry, temperature, mixing energy, test protocol, can also influence the determination of the rheological properties of these composites. In this sense, the aim of this study is to evaluate the influence of mixing energy and pre-shear on the rheological properties of cement pastes. For this purpose, samples with water/cement ratios equal to 0.40, 0.45, 0.50, 0.55, 0.60 and 0.65 by weight were studied. Two levels of mixing energy were used: low intensity mixing (maximum rotation equal to, approximately, 270 rpm), with a planetary mixer; and high intensity mixing (maximum rotation equal to, approximately, 12,000 rpm) with a high shear mixer. Two test protocols were established, one with zero pre-shear (resting for 90 s of the sample in the rheometer) and the other with application of a constant shear rate equal to 100 s–1, for 60 s, followed by rest of the material for 30 s. The results indicated that the mixing energy and pre-shear significantly influence the rheological behavior of cement pastes with higher solids volume (w/c ratio ≤ 0.45).

RESUMO Ondas pulsantes (tipo roll waves) podem surgir na superfície livre de eventos extremos como corridas de detritos e lamas, dentre outros, potencializando os danos causados. Esta nota técnica tem por objetivo informar sobre a fenomenologia das roll waves evoluindo na superfície livre de escoamentos laminares e analisar seus critérios de geração com foco nos conceitos de Froude mínimo e da frequência de perturbação. A análise de estabilidade linear completa do novo modelo das equações promediadas na vertical, mostrou-se como ferramenta teórica útil na determinação dos novos critérios de geração de roll waves evoluindo em fluidos não-newtonianos. Os resultados demonstraram que a geração de roll waves depende, de fato, de dois critérios: o primeiro associado ao número de Froude mínimo e o segundo relacionado à frequência de corte. Além disso, testou-se e confirmou-se que esses novos critérios de geração foram também atendidos, quando da simulação numérica obtida por um segundo modelo baseado nas equações completas, neste caso, o software Fluent. Globalmente, o surgimento de roll waves é favorecido pelas propriedades não-newtonianas do fluido escoante com a frequência de corte diminuindo com o número de Froude. Por fim, ambos os critérios de geração foram aplicados em um estudo de caso com presença de roll waves em uma bacia de drenagem.

ABSTRACT Pulsating waves (also known as roll waves) might occur on the free surface of extreme events like mud and debris flows, among others, usually intensifying the caused damage. This technical note aims to inform about the roll wave phenomenon developing in a free-surface laminar flow, and analyze its generation criteria, centered on the concepts of Froude number and disturbance frequency. The complete linear stability analysis of the new depth-averaged model was proven a useful theoretical tool in determining new generation criteria for roll waves developing in non-Newtonian fluids. The results showed that the roll wave generation depends on two criteria: the first is associated to the minimum Froude number, and the second is related to the cut-off frequency. In addition, we have confirmed that the new generation criteria can be verified via numerical simulation based on a second model with full equations (Fluent software). Globally, the emergence of roll waves is favored by the non-Newtonian properties of the flowing fluid and the fact that the cut-off frequency decreases along with the minimum Froude number. Lastly, both generation criteria were tested in order to examine a case study involving the occurrence of roll waves in a watershed.

RESUMO A partir do desenvolvimento de um aparato mecânico capaz de realizar automaticamente a medida de consistência do concreto pelo tronco de cone (slump test), este trabalho avaliou a capacidade do equipamento em simular o ensaio preconizado por norma. Medidas de consistência utilizando o ensaio padrão (tronco de cone - slump test) e o equipamento desenvolvido foram efetuadas para diferentes composições de concretos convencionais. Os resultados comprovaram a capacidade do equipamento em realizar o slump test, tanto o processo de levantamento do cone quanto a leitura do abatimento (slump), além de possibilitar menores erros experimentais associados ao operador durante o ensaio. Foram também avaliadas as propriedades tensão limite de escoamento e viscosidade plástica dos concretos produzidos, para isso modelos empíricos estabelecidos a partir de medidas reométricas (slump test modificado por meio do reômetro BTREOM), foram aplicados, os quais forneceram resultados compatíveis com os relatados na literatura. Enfatiza-se, porém, a necessidade de uma medida precisa da consistência, de maneira a não comprometer as avaliações reológicas do material, haja vista a elevada dependência (sensibilidade) da tensão limite de escoamento e mais ainda da viscosidade plástica àquela medida. Ademais, o equipamento proposto neste trabalho permitiu uma caracterização mais completa do escoamento durante o ensaio, fornecendo o comportamento temporal da descida do material (uma medida indireta da viscosidade) até o completo abatimento.

ABSTRACT From the development of a mechanical device capable of performing the slump test of concrete, this work evaluated the equipment's ability to simulate the test recommended by norm. Slumps using the standard test and the equipment developed were measured for different compositions of conventional concrete. The results confirmed the equipment's capacity to perform the slump test both in the lifting the Abrams cone and the slump reading, besides to allowing for less experimental errors associated with the operator during the test. Yield stress and plastic viscosity properties of the concretes produced were also evaluated - for this, empirical models based on rheometric measures were used (modified slump test via BTREOM rheometer) verifying results compatible with those reported in the literature. It should be emphasizes to need for a precise measurement of the slump, in order not to compromise the rheological evaluations of the material, given the high dependence (sensibility) of yield stress and even more of the plastic viscosity to that measure. Furthermore, the slump test equipment allowed for a more complete flow characterization during the test, providing the descent temporal behavior of the material (as an indirect measure of the viscosity) until final slump.

RESUMO Neste artigo foi proposto um modelo matemático simplificado para inferir sobre a capacidade erosiva de um escoamento lamoso em regime laminar com presença de roll waves (efeito pulsante) na superfície livre. Na perspectiva de aplicação de resultados no contexto de desastres naturais (corridas de lama), foi determinada a evolução da velocidade média e da tensão de cisalhamento no fundo do canal. O modelo proposto é baseado nas equações de águas rasas e na reologia de Herschel-Bulkley, como representativa das lamas. A validação e a aplicação do modelo foram feitas a partir de dados experimentais de roll waves geradas em canal no laboratório confrontados com resultados de simulações numéricas. Os resultados obtidos mostram um incremento na capacidade erosiva, na presença de roll waves, da ordem de 12% em relação ao escoamento base, valor este em concordância com os 10% apontados por Ng e Mei (1994) para uma reologia mais simplificada.

ABSTRACT In this paper, we proposed and validated a simplified mathematical model to estimate the erosive capacity of a muddy laminar flow with roll waves (pulsating effect) on the free surface. From the perspective of applying results in the context of natural disasters (mudflows), the evolution of mean velocity and bottom shear stress in the channel were determined. The proposed model is based on shallow water equations and Herschel-Bulkley rheology as representative of the muds. The model was validated by comparison with results of numerical simulations and experimental data of roll waves generated in a channel. In-depth comparative analyses were made for inferring the erosive capacity of this sort of flow. The obtained results show an increase of erosive capacity (12%) due to the presence of roll waves in relation to the uniform flow’s. Similar values (10%) were found by Ng and Mei (1994) for a more simplified rheology model.

RESUMO A reciclagem da fração mineral dos resíduos de construção e demolição (RCD), na forma de agregados, é vista como uma alternativa para a redução dos impactos ambientais provocados pela construção civil. Os agregados reciclados apresentam maior absorção de água e menor resistência mecânica e densidade quando comparados aos agregados naturais, fatores esses que irão influenciar as propriedades dos concretos produzidos. Assim, o objetivo deste estudo foi investigar a influência dos agregados reciclados nas propriedades reológicas e mecânicas de concretos autoadensáveis (CAA). Para isso, foram analisadas quatro composições distintas de CAA, sendo uma delas produzida apenas com agregados naturais. As demais misturas utilizaram agregados miúdos e/ou graúdos reciclados em substituição aos agregados naturais, no teor de 20%, em massa. Também foi realizada a caracterização reológica da pasta de cimento e das argamassas destinadas à produção do CAA, por meio de reometria rotacional. A caracterização reológica de pastas, argamassas e concretos é uma maneira de avaliar o comportamento destes compósitos no estado fresco, podendo prover informações úteis que auxiliarão no processo de dosagem e controle de qualidade. As propriedades do concreto fresco foram avaliadas mediante os ensaios de espalhamento, tempo de escoamento t500 e no funil V, habilidade passante e resistência à segregação. No estado endurecido foram determinadas as resistências à compressão, à tração por compressão diametral e módulo de elasticidade estático. Por meio dos resultados obtidos foi possível constatar perda de fluidez nas argamassas e concretos que empregaram agregados reciclados. Por outro lado, não foi verificada redução significativa nas propriedades mecânicas dos concretos produzidos com 20% de agregados graúdos ou miúdos reciclados.

ABSTRACT Recycling of mineral fraction of construction and demolition wastes (CDW), in form of aggregates, is seen as an alternative to reduce environmental impacts caused by construction. Recycled aggregates present higher water absorption and lower mechanical resistance and density when compared to natural ones, which will influence the properties of the produced concretes. The aim of this study was to investigate the influence of recycled aggregates in the rheological and mechanical properties of self-compacting concrete (SCC). For this, four distinct compositions of SCC were analyzed, one of them being produced only with natural aggregates. The other mixtures used fine and/or coarse recycled aggregates instead of natural aggregates, at 20% by mass. It was also carried out the rheological characterization of cement paste and mortars destined to SCC production, through rotational rheometry. The rheological characterization of pastes, mortars and concretes is a way to evaluate the behavior of these composites in fresh state, providing useful information that will aid in mix design process and quality control. The properties of fresh concrete were evaluated in terms of slump-flow test, t500 and V-funnel time, passing ability and segregation resistance. In hardened state, compressive strength, splitting tensile strength and static modulus of elasticity of concretes were determined. Through the obtained results it was possible to verify the loss of fluidity in mortars and concretes that used recycled aggregates. On the other hand, there was no significant reduction in the mechanical properties of concretes produced with 20% of coarse or fine recycled aggregates.

RESUMO O concreto de alto desempenho (CAD) é um material que apresenta características específicas, como alta resistência à compressão e elevada durabilidade. Para que esse concreto atenda às suas características específicas, uma cuidadosa seleção e dosagem dos seus componentes devem ser realizadas. Desta forma, este trabalho buscou contribuir com o estudo de dosagem do CAD, utilizando o conceito de empacotamento de partículas, onde foi determinada a proporção ótima dos componentes particulados a partir do modelo de Alfred, também conhecido como modelo de Andreasen modificado. Realizada a dosagem do CAD, analisou-se a influência do empacotamento de partículas no seu desempenho mecânico e nas propriedades reológicas da pasta de cimento e argamassa constituintes do CAD. O CAD otimizado, com base no conceito de empacotamento de partículas, apresentou, aos 28 dias, resistência à compressão satisfatória, podendo ser classificado como um concreto de alta resistência, e superior à resistência à compressão do CAD de referência. Na caracterização reológica da pasta de cimento e argamassa, o emprego do empacotamento provocou um aumento da fluidez, facilitando o escoamento, sem prejudicar a estabilidade da mistura de concreto.

ABSTRACT High performance concrete (HPC) is a material that has specific characteristics, such as high compressive strength and high durability. In order for this concrete to meet its specific characteristics, a careful selection and dosage of its components must be carried out. Thus, this paper aims to contribute with HPC dosage study using the concept of particle packing, where the optimal proportion of particulate components was determined by Alfred model, also known as modified Andreasen model. Held the dosage of the HPC, was analyzed the influence of particle packing on its mechanical performance and on the rheological properties of the cement paste and mortar HPC constituents. The optimized HPC based on particle packing concept presented satisfactory compressive strength at 28 days, which can be classified as a high strength concrete, and superior compressive strength to the reference HPC. In the rheological characterization of cement paste and mortar, the use of packing concept caused an increase of the fluidity, facilitating the flow, without harming the stability of concrete mix.

RESUMO Estudos referentes ao comportamento reológico de materiais cimentícios, sobretudo de argamassas e concretos, vêm sendo desenvolvidos a fim de melhorar a qualidade e a durabilidade destes materiais, bem como prevenir eventuais problemas, quando no estado endurecido. A reometria rotacional é o ensaio clássico para a caracterização reológica dos materiais cimentícios no estado fresco, pois permite inferir a tensão limite de escoamento e a viscosidade aparente do material. Os reômetros rotacionais, entretanto, são equipamentos de elevado custo, o que tem levado ao desenvolvimento de métodos de baixo custo, como a técnica de Pashias. A técnica de Pashias é uma modificação do procedimento de slump-test, a fim de caracterizar, reologicamente, os materiais através da determinação única da tensão limite de escoamento. O trabalho desenvolvido teve como objetivo determinar a tensão limite de escoamento de argamassas provenientes de composições de concretos de alto desempenho (CAD), dosados por meio de conceitos de reologia e empacotamento de partículas. Para tanto, utilizou-se o ensaio reométrico clássico e a técnica de Pashias (cilindro), a fim de comparar os resultados e avaliar a capacidade da técnica alternativa na determinação da tensão limite de escoamento de argamassas. A comparação dos resultados obtidos pelos diferentes métodos de ensaio reológico utilizados demonstrou uma boa capacidade da técnica de Pashias (técnica alternativa) em avaliar o parâmetro tensão limite de escoamento de argamassas (com erros variando de 1 a 20%). Ademais, observou-se que a argamassa obtida a partir do CAD dosado pelo conceito de empacotamento de partículas apresentou-se mais fluida e trabalhável, com menor tensão limite de escoamento.

ABSTRACT Studies about the rheological behavior of cementitious materials, especially mortars and concretes, have been developed to improve the quality and durability of these materials as well as prevent any future problems in the hardened state. The rotational rheometry is the classic test for the rheological characterization of cementitious materials, because it allows to infer about the level of yield stress and apparent viscosity of the material. The rotational rheometers are, however, costly equipments, which led to the development of alternative methods for low cost, as the Pashias technique. The Pashias technique is a modification of the slump-test procedure in order to characterize, rheologically, the materials by single determining of the yield stress. The work developed aimed to determine the yield stress of mortars from compositions of high performance concretes (HPC) dosed by the concepts of rheology and particles packing. For this, it was used the classic rheometric test and the Pashias technique (cylinder), in order to compare the results, and evaluate the capacity of alternative technique in determining the yield stress of mortars. The comparison of the results obtained by different rheological test methods showed a good ability of the Pashias technique (alternative technique) to evaluate the of yield stress parameter of mortars (with errors ranging from 1% to 20%). In addition, was observed that the mortar obtained from HPC dosed by the concepts of particles packing appeared more fluid and workable, with less yield stress.

The dam-break flow involving non-Newtonian fluids is a type of flow commonly observed in nature as well as in common industrial processes. Experiments of non-Newtonian dam-break flows were conducted in horizontal channels and aqueous solutions of Carbopol 940 were used, which were modeled by the Herschel-Bulkley constitutive equation. Their flows were filmed and the frames were compared with numerical simulations. Two particular results were analyzed: the front wave evolution with time and its stop distance. The CFX software was employed and the simulations were conducted with the VOF method. Both results, numerical and experimental, were compared with shallow water approximation solutions found in literature. The numerical code, which uses complete momentum equations, showed better agreement with the experiments than those using shallow water equations. It seems that the hypotheses used by the shallow water approximated equations are not appropriate for the first instants of the flow, just after the dam-break and errors are introduced. Probably, these errors are propagated producing the differences encountered.