Universidade Universidade Estadual do Piauí Centro de Tecnologia e Urbanismo Departamento Departamento de Engenharia Civil
Disciplina: Saneamento Básico
Redes de distribuição de água
2014/02
Profª.: Profª.: Márcia Fernanda de Sena Muniz
REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA “É a parte do sistema de abastecimento formada de tubulações e órgãos acessórios, destinados a colocar água potável potável à disposição dos consumidores, de forma contínua, em quantidade, qualidade, e pressão adequadas” adequadas” CUSTO CUST O DA DA REDE 50 a 75% do custo custo total do sist sistema ema de abastecimento.
REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA “É a parte do sistema de abastecimento formada de tubulações e órgãos acessórios, destinados a colocar água potável potável à disposição dos consumidores, de forma contínua, em quantidade, qualidade, e pressão adequadas” adequadas” CUSTO CUST O DA DA REDE 50 a 75% do custo custo total do sist sistema ema de abastecimento.
Redes de distribuição de água
Tipos de redes Principal: também denominada de conduto tronco ou canalização mestra são tubulações de maior diâmetro que tem por finalidade abastecer as canalizações secundárias. Secundária: são tubulações de menor diâmetro e tem a função de abastecer diretamente os pontos de consumo do sistema de abastecimento de água.
Tipos de redes Classificação de acordo com a disposição da tubulação principal e o sentido do escoamento: -Ramificada -Malhada -Mista
Tipos de redes Rede ramificada A rede é classificada como ramificada quando o abastecimento se faz a partir de uma tubulação tronco, alimentada por um reservatório ou através de uma elevatória, e a distribuição é feita diretamente para os condutos secundários, sendo conhecido o sentido da vazão em cada trecho.
Tipos de redes Rede ramificada: o traçado é aberto, semelhante a uma árvore, grelha ou espinha de peixe, cada ponto da rede é atendido por um caminho único desde o reservatório ou outra fonte de suprimento (se um trecho é interrompido, fica isolada toda a rede a jusante).
Tipos de redes Rede ramificada com traçado em espinha de peixe Reservatório
Reservatório
É um sistema típico de cidades que apresentam desenvolvimento linear pronunciado.
Tipos de redes -Rede ramificada com traçado em grelha:
Reservatório
Tipos de redes Rede malhada As redes malhadas são constituídas por tubulações principais que formam anéis ou blocos, de modo que, pode-se abastecer qualquer ponto do sistema por mais de um caminho.
Tipos de redes Rede malhada: a rede é fechada, forma anéis com múltiplos caminhos para o escoamento (maior flexibilidade para atender diferentes distribuições da demanda e para manutenção da rede).
Tipos de redes Rede malhada
Tipos de redes Rede malhada em anéis -são as mais comuns; -apresenta bom funcionamento, desde que tenha sido criteriosamente dimensionada; -apresenta número de registros, a serem manobrados, sensivelmente maior (comparada com a rede em blocos); -medição das vazões mais trabalhosas .
Tipos de redes Rede malhada em blocos
Tipos de redes Rede malhada em blocos -maior facilidade na medição de vazões e no controle de perdas; -redes internas alimentadas em apenas dois pontos; -controle mais preciso da pressão e melhoria na qualidade da distribuição; -minimização da área desabastecida, nos casos de acidentes e manutenção; -melhoria da eficiência na manutenção da rede.
Tipos de redes Rede mista: associa redes ramificadas com redes mistas.
Recomendações para o traçado da rede -Rede principal: -formar rede malhada
São recomendações – analisar caso a caso
-direcionadas às zonas de maiores demandas -localizadas em vias ou áreas públicas -vias sem pavimentação, sem tráfego intenso, sem interferências significativas, com solo adequado
-Rede secundária: -rede simples ou dupla (localização no passeio) -comprimento máximo de 600 m (cada trecho) -atendida pelas duas extremidades -formar rede malhada
FORNECIMENTO DE ÁGUA PARA A REDE Diferentes alternativas podem e são utilizadas para o fornecimento de água para uma rede: -através de um único reservatório de montante -com elevatória a montante ou em linha atendendo parte da rede (booster) -com reservatório de sobras (a jusante) -sistemas complexos com múltiplos reservatórios, boosters, etc. •
FORNECIMENTO DE ÁGUA PARA A REDE Alimentação da rede através de reservatório elevado
Reservatório a montante
Reservatório a jusante
FORNECIMENTO DE ÁGUA PARA A REDE Alimentação da rede através de reservatório apoiado, semi-enterrado e enterrado Reservatório a montante da rede
Reservatório a jusante da rede
FORNECIMENTO DE ÁGUA PARA A REDE Alimentação da rede através do reservatório de montante e reservatório de sobra à jusante
Alimentação direta na rede com reservatório de sobra
FORNECIMENTO DE ÁGUA PARA A REDE Alimentação direta na rede com reservatório de compensação
Alimentação direta na rede através de vários pontos
FORNECIMENTO DE ÁGUA PARA A REDE
Alimentação direta na rede com tanque Hidropneumático Abastecimento de água de redes localizadas em setores distintos
FORNECIMENTO DE ÁGUA PARA A REDE
Setorização da rede abastecimento
Distribuição escalonada
PRESSÕES MÁXIMAS E MÍNIMAS Devem ser atendidos nas redes os seguintes limites (NBR 12218/1994): Pressão estática máxima: 500 kPa (50 mH2O) -calculada em condição de vazão nula e imposta pelo nível d’água máximo nos reservatórios ou pressões máximas nas elevatórias presentes no sistema
Pressão dinâmica mínima: 100 kPa (10 Mh2o) -calculada com demanda de pico no dia e hora de maior consumo e reservatórios nos níveis mínimos Para atender esses limites é comum ser necessária a divisão da rede em zonas de pressão (por exemplo alta, média e baixa) e o uso combinado de reservatórios apoiados ou elevados em diferentes cotas, bosters e válvulas redutoras de pressão.
Esquema de abastecimento de água para atender as diversas zonas de pressão
Esquema de abastecimento de água para atender os limites de pressão na rede
VAZÃO PARA DIMENSIONAMENTO DA REDE Q
P q . K 1 K 2 86400
Q - Vazão de distribuição (l/s); P – População final para a área a ser abastecida; q – Consumo per-capita (l /hab.dia); K1 - Coeficiente de máxima vazão diária; K2 – Coeficiente de máxima vazão horária;
COMO A VAZÃO DEVE SER DISTRIBUÍDA AO LONGO DE DEZENAS OU CENTENAS DE TRECHOS E NÓS DE UMA REDE?
VAZÃO PARA DIMENSIONAMENTO DA REDE Alternativas: -considerando a vazão específica por unidade de comprimento das ruas, distribuição em marcha (L/s/km), concentra-se metade da vazão obtida em cada trecho, em cada nó de extremidade (com o devido ajuste no caso de redes duplas); onde: qm = vazão de distribuição em marcha, l/s.m L = extensão total da rede, m
VAZÃO PARA DIMENSIONAMENTO DA REDE Alternativas: -considerando a vazão específica por unidade de área (L/s/ha), e as áreas de influência de cada nó, ajustadas conforme áreas de densidades diferentes (dividir em zonas homogêneas); Onde: qd = vazão específica de distribuição, (l/s.ha) A = área a ser abastecida, ha
-e em todos os casos anteriores, somar as vazões concentradas para consumidores especiais, caso existam.
ANÁLISE HIDRÁULICA Equação da continuidade, para cada nó “i” – para condição de equilíbrio:
Perda de carga, para cada trecho “j”:
ANÁLISE HIDRÁULICA Dois tipos de problemas podem ser analisados: -Verificação da capacidade máxima da rede existente: consiste em determinar as vazões nos trechos e as cotas piezométricas nos nós, para uma rede com diâmetros e comprimentos conhecidos (esse problema é determinado e tem solução única)
-Dimensionamento da rede: determinar os diâmetros, vazões nos trechos e cotas piezométricas nos nós, com condicionamentos nas velocidades e pressões (esse problema admite várias soluções, podendo procurar-se a solução de mínimo custo)
VELOCIDADES MÁXIMAS E MÍNIMAS Pela NBR 12218/1994 -mínima 0,6 m/s -máxima 3,5 m/s
Porto (1998) recomenda a utilização da seguinte equação empírica: Vmax=0,6+1,5D e Vmax=2,0 m/s É usual a utilização, para o dimensionamento da rede, das seguintes velocidades, relacionadas com a vazão máxima:
VELOCIDADES MÁXIMAS E MÍNIMAS
DIÂMETRO MÍNIMO Pela NBR 12218/1994 -Tubulações secundárias: 50 mm -Tubulações principais: não há recomendação
Segundo a PNB 594/77 (antiga norma) - Tubulações principais: -150 mm: zonas comerciais ou residenciais ( > 150 hab/ha) -100 mm: núcleos urbanos (pop > 5.000 hab.) -75 mm: núcleos urbanos (pop < 5.000 hab.)
DIÂMETRO MÍNIMO Recomendações da norma européia
DIMENSIONAMENTO: REDE RAMIFICADA
Seqüência de cálculo para o dimensionamento -Determinação das vazões em cada trecho -Dimensionamento dos trechos -Verificação das pressões resultantes
DIMENSIONAMENTO: REDE RAMIFICADA Seqüência de cálculo para o dimensionamento -Determinação das vazões em cada trecho -Determina-se a vazão total da rede: Qmax; -Mede-se o comprimento total da rede: L; -Determina-se a taxa de consumo linear: -Partindo das pontas secas (extremidades), de jusante para montante, determina-se para cada trecho; -vazão fictícia, constante ao longo do trecho:
DIMENSIONAMENTO: REDE RAMIFICADA -Estabelecem-se limites de velocidades para diâmetro e de pressão para o funcionamento adequado da rede; -Admitem-se os diâmetros de cada trecho e determinam-se as pressões possíveis; -Calculam-se as perdas de carga em cada trecho em função das vazões de dimensionamento e velocidades limites. - Verificam se as pressões resultantes se situam nos limites estabelecidos. -Caso contrário: modificam-se o nivel d’água do reservatório, ou o traçado ou diâmetros admitidos e repete-se os cálculos.
Redes Ramificadas Coluna 1 – N0 trecho – os trechos da rede ou os nós devem ser numerados, com um critério racional, partindo do trecho mais afastado do reservatório, que recebe o número 1; Coluna 2 – Extensão L do trecho, em metros, medidos na planta topográfica ou aerofotogramétrica; Coluna 3 - Vazão de jusante Q j, se na extremidade de um ramal (ponta seca) Q j=0. Na extremidade de jusante de um trecho T qualquer, Q j=SQ m dos trechos abastecidos por T; Coluna 4 – Vazão em marcha igual a q.L, na qual q é a vazão unitária de distribuição em marcha (l/(s.m)). O valor de q é constante para todos os trechos da rede e igual à relação entre a vazão de distribuição e o comprimento total da rede, SLi.
Redes Ramificadas Coluna 5 – Vazão de montante do trecho Q m=Q j+qL; Coluna 6 – Vazão fictícia,
Q f
Qm
Q j
2
Coluna 7 – Diâmetro D, determinado pela vazão a montante do trecho; Coluna 8 - Velocidade (m/s) determinada pela equação da continuidade (Q = V.S) Coluna 9 – Perda de carga unitária J(m/100m), determinada neste exercício pela fórmula de Hazen-Willians com C = 130;
Coluna 10 e 12 - Cotas piezométricas de montante e jusante, determinadas a partir da cota piezométrica fixada para um ponto qualquer da rede, ou estabelece para o nível d’água no reservatório um valor genérico X. A partir do nível d’água X e com
Redes Ramificadas os valores das perdas de carga nos trechos, todas as cotas piezométricas dos nós podem ser calculadas em função de x; Coluna 11 – Perda de carga total no trecho, DH(m)=J .L; Coluna 13 e 14 - Cotas topográficas do terreno, obtidas na planta e relativas aos nós de montante e jusante do trecho; Coluna 15 e 16 – Cargas de pressão disponível em cada nó, cota piezométrica menos cota do terreno, em função de X. Para o ponto mais desfavorável, iguala-se ao valor de 10m.c.a, que é a mínima carga de pressão dinâmica admitida no projeto.
Universidade Estadual do Piauí Centro de Tecnologia e Urbanismo Departamento de Engenharia Civil
Disciplina: Saneamento Básico
Redes de distribuição de água
2014/02
Profª.: Márcia Fernanda de Sena Muniz
DIMENSIONAMENTO: REDE MALHADA -MÉTODO DO SECCIONAMENTO -MÉTODO DE CÁLCULOS ITERATIVOS
DIMENSIONAMENTO: REDE MALHADA -MÉTODO DO SECCIONAMENTO
- secciona-se a rede nos pontos onde, imagina-se (experiência do projetista), as vazões seriam nulas. - a rede malhada virou ramificada! - CONDIÇÃO: as pressões nos pontos de seccionamento devem ser aproximadamente iguais ( tolerância de 5%) - em caso de erro elevado, ajusta-se os pontos de seccionamento...
DIMENSIONAMENTO: REDE MALHADA -MÉTODO DO SECCIONAMENTO
Este método é particularmente indicado para o dimensionamento das redes de distribuição das cidades pequenas e para verificação das linhas secundárias das redes maiores.
DIMENSIONAMENTO: REDE MALHADA -MÉTODO DE CÁLCULO INTERATIVO
Equações para os nós nos circuitos:
DIMENSIONAMENTO: REDE MALHADA Métodos para solução de redes malhadas: -Método da correção de vazões (Hardy-Cross) -Método da linearização (matricial)
NBR 12218/94: o dimensionamento das redes em malha deve ser realizado por métodos iterativos, que garantam resíduos máximos de vazão e de carga piezométrica de 0,1 l/s e 0,5 kPa, respectivamente.
DIMENSIONAMENTO: REDE MALHADA Método de Hardy-Cross -aplicado para o dimensionamento dos condutos principais de rede de distribuição do tipo malhada. -os condutos secundários são dimensionados pelos diâmentro mínimos estabelecidos Modalidades de aplicação do método de Hardy-Cross -Por compensação das perdas de carga -Por compensação das vazões
Fundamentos hidráulicos do método de HardyCross Localização dos nós em redes malhadas
Fundamentos hidráulicos do método de HardyCross Em um nó qualquer da rede, a soma algébrica das vazões é igual a zero
Em um circuito fechado (ou anel) qualquer da rede, a soma algébrica das perdas de carga é igual a zero
Aplicação do método de Hardy-Cross
Para cada anel
Aplicação do método de Hardy-Cross Traçado dos anéis -Pontos de carregamento das vazões; -Sentido de escoamento -Conhecidos os pontos de entrada e saída das vazões -Estabelece-se uma primeira distribuição de vazões -Em cada nó: ΣQ = 0; -Adota-se um diâmetro para cada trecho do anel -Se nos anéis ΣΔH = 0 - rede equilibrada -Se nos anéis ΣΔH ≠ 0 - a vazão deve ser corrigida -Com as novas vazões, recalculam-se as perdas de carga -Prossegue-se os cálculos até obter ΣQ pequenos ou nulos
Aplicação do método de Hardy-Cross Exemplo 1 Na rede de distribuição, cujo esquema é apresentado a seguir, determinar diâmetros, equilibrar as vazões e calcular as pressões disponíveis nos nós da rede, sendo dados: -Nível d’água no reservatório está na cota 100,00 m; -Tubulações em ferro fundido (C = 100); -Diâmetros de: 50, 75, 100 e 150 mm;
Aplicação do método de Hardy-Cross Exemplo
Aplicação do método de Hardy-Cross Exemplo 2 Determinar a vazão que passa em cada trecho do anel da rede de distribuição esquematizada a seguir, sendo dados: -Coeficiente de perda de carga f = 0,02;
Aplicação do método de Hardy-Cross Tarefa de casa Estudar o exercício resolvido 9.2 da página 411 do livro Abastecimento de água
Próxima Aula -Roteiro básico para elaboração do projeto -Materiais dos tubos e conexões - Acessórios - Dispositivos de proteção
Universidade Estadual do Piauí Centro de Tecnologia e Urbanismo Departamento de Engenharia Civil
Disciplina: Saneamento Básico
Redes de distribuição de água
2014/02
Profª.: Márcia Fernanda de Sena Muniz
ROTEIRO BÁSICO PARA PROJETOS -Delimitação da área a ser atendida (plantas do empreendimento, levantamento topográfico, etc.) -Estudo demográfico da área a ser atendida (zonas homogêneas, população de fim de plano, consumidores especiais, etc.) -Concepção do sistema de distribuição: -Estudos das zonas de pressão e de setorização -Traçado da rede de distribuição (principais e secundárias) -Seleção dos pontos de concentração de vazões (levar em conta também a topografia e extensão dos trechos) -Distribuição das vazões nos nós ou trechos (lotes, comprimento ou área de influência) e cálculo das vazões concentradas nos nós -Análise e dimensionamento da rede
MATERIAIS PARA REDES -TUBOS E PEÇAS (curvas, tês, reduções, registros, válvulas, etc.)
-materiais devem suportar, sem sofrer deflexões acima da máxima permitida, esmagamento ou ruptura: -as pressões internas -os esforços externos atuantes
MATERIAIS PARA REDES Critério para a seleção dos materiais: -Durabilidade – substituições frequentemente significam $$$$ para as empresas e consumidores
-Material da superfície interna – não deve reagir com a água, não deve sofrer corrosão, atrito interno, C=100 a 150 -Material da superfície externa – corrosão
-Instalação -peso das tubulações e peças -tipos de juntas -diâmetro das tubulações -facilidade de interligar as tubulações -topografia do terreno e nível do lençol freático
MATERIAIS – tubos e conexões FERRO FUNDIDO DÚCTIL - Diâmetros: opções de 80 a 1200 mm
-Comprimento: barras de 6 a 8 m - Revestimento interno com argamassa de cimento -Revestimento externo com zinco e pintura betuminosa -Juntas mais comuns em redes: elástica (ponta e bolsa) e flanges (com proteção dos parafusos) observações: corrosão, incrustação (redução do “C”), estanqueidade, necessita ancoragem (juntas p&b)...
MATERIAIS – tubos e conexões PVC (PBA e DEFoFo) -Diâmetros: 9 opções de 50 a 270 mm (100 a 600 no DEFoFo) - Comprimento: barras de 6 m -Classes: 3 opções de 60 a 100 mca - DEFoFo: Ø externo equivalente ao ferro fundido -Juntas mais comuns em redes: elástica (ponta e bolsa) -observações: juntas p&b, fragilidade e estanqueidade, mais difundida em pequenos diâmetros atualmente...
MATERIAIS – tubos e conexões POLIETILENO
-Diâmetros: 30 opções de 16 a 1200 mm - Comprimento na maior parte das redes (tubos ø 63 e 90 mm): bobinas de 100 m -Sem revestimento interno ou externo -Leve e flexível, estanqueidade, resistência química e à abrasão -Menor rugosidade - Principais juntas: solda termoplástica (topo, sela, soquete e eletrofusão) e flanges (para acessórios e outros materiais) observações: uso ainda incipiente em redes no país (não existe norma nacional para redes de distribuição de água em polietileno
MATERIAIS – tubos e conexões POLIETILENO – fornecimento em bobinas
ÓRGÃOS E EQUIPAMENTOS ACESSÓRIOS Os principais órgãos e equipamentos acessórios das redes de distribuição de água são: -Válvulas de manobra -Válvulas de descarga -Ventosas -Válvulas redutoras de pressão -Hidrantes
Válvulas de manobra
Válvulas de descarga
Ventosas
Válvulas redutoras de pressão
Hidrante Hidran te do tipo coluna
Hidrante do tipo subterrâneo
Dispositivos de proteção Blocos de Ancoragem – Observar padrões de Concessionárias
Necessários quando se utilizam junções do tipo ponta e bolsa (junta elástica).
