redes de distribuicao de agua n
TRANSCRIPT
Disciplina: Saneamento
Prof. Carlos Eduardo F Mello
e-mail: [email protected]
Redes de Distribuição de Água
Conceito
Rede de distribuição de água é a parte do sistema de abastecimento formada de tubulações e órgãos acessórios, destinados a colocar água potável à disposição dos consumidores, de forma contínua, em quantidade, qualidade e pressão adequadas (NBR 12218).
Introdução
É o componente de maior custo do sistema de abastecimento de água (50 a 75% do custo total)
As obras de captação, adução, tratamento e reservação possuem atenção ininterrupta
As redes de distribuição não estão sobre constante vigilância/obras enterradas
Deve-se dar atenção à qualidade da água e a perdas de água na rede de distribuição
Tipos de Rede
Canalização
Principal
- canalização tronco ou mestra
- possui maior diâmetro
- abastece a canalização secundária
Secundária
- tubulações de menor diâmetro
- abastece diretamente os pontos de consumo
Classificação das redes
Classificação de acordo com a disposição das canalizações principais e o sentido de escoamento nas tubulações secundárias
Ramificada
Malhada
Mista
Rede ramificada
Possui uma tubulação tronco alimentada por um reservatório ou estação elevatória
A distribuição da água é diretamente para os condutos secundários
É conhecido o sentido da vazão em qualquer trecho
Rede ramificada
Um acidente que interrompa o escoamento em uma tubulação compromete todo o abastecimento nas tubulações situadas a jusante
É recomendada somente em casos em que a topografia e os pontos a serem abastecidos não permitam o traçado como rede malhada
Rede ramificada
Esquema de uma rede ramificada
Os nós são pontos de derivação de vazão e/ou mudanças de diâmetro
Rede ramificada
Classificação
As redes ramificadas podem ser classificadas de acordo com a disposição das tubulações principais em:
redes em espinha de peixe
redes em grelha
Rede ramificada
Redes em Espinha de peixe
Rede ramificada com traçado em espinha de peixe
Condutos principais Conduto principal central
Rede ramificada
Redes em Grelha
Rede ramificada com traçado em grelha
Co
nd
uto
pri
nci
pal
cen
tral
Condutos principais
Rede Malhada
Constituídas por tubulações principais que formam anéis ou blocos
Permite abastecer qualquer ponto do sistema por mais de um caminho
Flexibilidade em satisfazer a demanda e manutenção na rede com o mínimo de interrupção no fornecimento de água
Rede Malhada
Rede malhada em anéis
Esquema de uma rede malhada com quatro anéis ou malhas
Rede Malhada
Rede malhada em Blocos
Recomenda-se que as Ligações domiciliares sejam executadas unicamente na rede secundária
Esquema de uma rede malhada em blocos
Rede Malhada em Blocos
Vantagens
Controle mais rigoroso de perda
Controle mais preciso da pressão
Minimização da área desabastecida (acidente ou manutenção)
Melhoria da eficiência na manutenção da rede
Rede Mista
Esquema de uma rede mista
Recomendações para o traçado de redes
Redes principais
As tubulações principais devem:
Formar circuitos fechados sempre que possível
Ser direcionadas às zonas de maior demanda
Ser localizadas em vias ou área públicas
Em ruas com tubulação principal com diâmetro superior a 300 mm, deve ser prevista uma tubulação secundária para receber as ligações prediais
Recomendações para o traçado de redes
Redes secundárias
As tubulações secundárias devem:
ser dispostas sob os passeios (sempre que possível)
ser dupla, uma tubulação para cada passeio, dependendo da largura da via, do tipo de pavimento e da intensidade do trânsito
ter comprimentos máximos de 600 m, sendo alimentadas pelas extremidades
Devem formar rede malhada, evitando ao máximo as extremidades mortas
Fornecimento de água para a rede
Reservatório elevado, apoiado, semi-enterrado ou enterrado
Estação elevatória com o uso de bombas de rotação constante ou variável
Tanque hidropneumático
Fornecimento de água para a rede
Reservatório a montante da rede
Fornecimento de água para a 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
Fornecimento de água para a rede
Alimentação direta na rede com reservatório de sobra
Fornecimento de água para a rede
Alimentação direta na rede com reservatório de compensação
Fornecimento de água para a rede
Alimentação direta na rede através de vários pontos
Fornecimento de água para a rede
Alimentação direta na rede com tanque hidropneumático
Fornecimento de água para a rede
Abastecimento de água de redes localizadas em setores distintos
Fornecimento de água para a rede
Setorização da rede de abastecimento
Fornecimento de água para a rede
Distribuição escalonada
Dimensionamento de Redes
Vazão para dimensionamento
Análise hidráulica
Pressões mínimas e máximas na rede
Velocidades mínimas e máximas
Diâmetro mínimo
Dimensionamento de Redes
Vazão para dimensionamento
Vazão de distribuição
Q = K1xK2xPxq/86400
Q = vazão (ℓ/s)
K1 = coeficiente do dia de maior consumo
K2 = coeficiente da hora de maior consumo
P = população final para a área a ser abastecida, hab.
q = consumo per capita final de água, ℓ/hab.dia
Dimensionamento de Redes
Vazão para dimensionamento
Vazão específica relativa à extensão da rede
Q = K1xK2xPxq/86400xL
qm = vazão de distribuição em marcha (ℓ/s.m)
L = extensão total da rede (m).
Dimensionamento de Redes
Vazão para dimensionamento
Vazão específica relativa à área
Q = K1xK2xPxq/86400xA
qd = vazão de distribuição (ℓ/s.ha)
A = extensão total da rede (há)
Dimensionamento de Redes
Análise hidráulica
Conhecida a vazão de distribuição, deve-se determinar:
As vazões nos trechos
Cotas piezométricas no nós
Dimensionamento de Redes
Análise hidráulica
normalmente as cargas cinéticas e as perdas de cargas localizadas são negligenciadas no cálculo da rede
as perdas de carga distribuída são calculadas pelas equações da fórmula Universal e de Hazen-Williams
para a NBR 12218, a perda de carga deve ser feita preferencialmente pela fórmula Universal
Dimensionamento de Redes
Pressões mínimas e máximas na rede
Para o dimensionamento da rede são importantes a:
Pressão dinâmica mínima
- para que a água alcance os reservatórios domiciliares
Pressão estática máxima
- resistência das tubulações
- controle das perdas de água
Dimensionamento de Redes
Pressões mínimas e máximas na rede
Para a NBR 12218
Pressão estática máxima 500 kPa (50 mH2O)
Pressão dinâmica mínima 100 kPa(10 mH2O)
Para atender os limites de pressão, a rede deve ser subdivida em zonas de pressão (alta, média e baixa), sendo que cada zona de pressão é abastecida por um reservatório de distribuição.
Dimensionamento de Redes
Pressões mínimas e máximas na rede
Esquema de abastecimento de água para atender as diversas zonas de pressão
Dimensionamento de Redes
Esquema de abastecimento de água para atender os limites de pressão na rede
Dimensionamento de Redes
Velocidades mínimas e máximas
Limitações de velocidades:
Segurança e durabilidade das tubulações
Custo de implantação e de operação
Dimensionamento de Redes
Velocidades mínimas e máximas
Baixas velocidades:
Favorecem a durabilidade (abrasão)
Facilitam o depósito de materiais existentes na água
Dimensionamento de Redes
Velocidades mínimas e máximas
Velocidades altas:
Diminuem o diâmetro da tubulação e consequentemente o custo de aquisição e assentamento da tubulação
Causam aumento da perda de carga, aumentando os custos de energia elétrica nos bombeamentos
Dimensionamento de Redes
Velocidades mínimas e máximas
Velocidades altas:
Causam ruído na tubulação
Favorecem o desgaste pela abrasão e cavitação de peças e válvulas, aumentando os custos de manutenção
Dimensionamento de Redes
Velocidades mínimas e máximas
Para a NBR 12218:
Velocidade mínima: 0,6 m/s
Velocidade máxima: 3,5 m/s
Dimensionamento de Redes
É usual a utilização da tabela ao lado para o dimensionamento da rede:
D (mm) Vmáx (m/s) Qmáx (ℓ/s)
50 0,50 1,0
75 0,50 2,2
100 0,60 4,7
150 0,80 14,1
200 0,90 28,3
250 1,10 53,9
300 1,20 84,8
350 1,30 125,0
400 1,40 176,0
450 1,50 238,0
500 1,60 314,0
550 1,70 403,0
600 1,80 509,0 Fonte: Martins (1976)
Velocidades máximas em função do diâmetro
Dimensionamento de Redes
Diâmetro mínimo
Deve considerar:
Perda de carga
Vazões disponíveis aos usuários
Para a NBR 12218:
Diâmetro mínimo de 50 mm para tubulações secundárias
Não há nenhuma recomendação para tubulações principais
Dimensionamento de Redes
Diâmetro mínimo
Para a PNB 594/77 ABNT:
Recomendava para diâmetro mínimo de tubulações principais de redes malhadas, os seguintes valores:
150 mm: zonas comerciais e residenciais com densidade igual ou superior a 150 hab/ha
100 mm: núcleos urbanos, com população de projeto superior a 5.000 habitantes
75 mm: núcleos urbanos cuja população de projeto é igual ou inferior a 5.000 habitantes
Dimensionamento de Redes Ramificadas
Métodos
Tradicional (normalmente utilizado)
Métodos de Otimização (custo mínimo da rede de tubulações com seu sistema de bombeamento)
- método de Granados: considera a variação do preço das tubulações em função de seus tipos, diâmetros e classes
Dimensionamento de Redes Ramificadas
Método Tradicional
Passos:
a. Calcular a vazão total na rede
Qmáx= K1xK2xPxq/86400 (ℓ/s) b. Medir a extensão da rede L (m)
c. Calcular a vazão específica relativa à extensão da rede qm = Qmáx/L
d. Numerar os trechos de jusante para montante (começar pelo trecho mais afastado do reservatório, que receberá o número 1)
e. Preencher a planilha
Dimensionamento de Redes Ramificadas
Método Tradicional
Passos:
e. Preencher a planilha
1. Trechos
2. Extensão (medido com a escala na planta)
3. Vazão do trecho: Qt = qmx ℓ ℓ = comprimento do trecho
4. Vazão de jusante: igual a 0 nas extremidades da rede
5. Vazão de montante: Qm = Qj+Qt
6. Vazão fictícia: Qf = (Qm + Qj )/2
Dimensionamento de Redes Ramificadas
Método Tradicional
Passos:
e. Preencher a planilha
7. Diâmetro: tabela 9.1- em função da vazão
8. Velocidade: calculada através da equação da continuidade Q = V.A → V = 4Q/πD2 Q (m3/s) e D (m)
9. Perda de carga unitária: Hazen-Williams
J = 10,64Q1,85C-1,85D-4,87 Q (m3/s) e D (m)
10. Perda de carga no trecho: perda de carga unitária x ℓ
Dimensionamento de Redes Ramificadas
Método Tradicional
Passos:
e. Preencher a planilha
11. Cota do terreno
12. Cotas piezométricas a jusante e a montante
- escolher o ponto mais desfavorável (jusante do trecho 1)
- admite-se a pressão dinâmica de 10 mH2O
- a cota piezométrica neste ponto será: conta do terreno + 10 mH2O
- a cota piezométrica a montante desse trecho será: cota piezométrica a jusante + perda de carga no trecho
Dimensionamento de Redes Ramificadas
Método Tradicional
Passos:
e. Preencher a planilha
13. Pressão disponível a montante e a jusante:
cota piezométrica – cota do terreno
14. Análise final
verificar se as pressões situam-se nos limites estabelecidos
- pressão mínima (manter pressão na rede de 10 mH2O)
- pressão máxima (menor que 50 mH2O)
Dimensionamento de Redes Ramificadas
Método Tradicional
Passos:
e. Preencher a planilha
14. Análise final
Pressões forem satisfatórias: dimensionamento completo
Pressões não satisfatórias:
altera-se a cota do NA do reservatório, ou o traçado, ou os diâmetros admitidos, e repte-se o cálculo até que se obtenha uma perfeita distribuição de pressões
Dimensionamento de Redes Ramificadas
Exercício
Dimensionar a rede ramificada da figura abaixo
Dimensionamento de Redes Ramificadas
Exercício
Dados: População atendida: 5.000 habitantes
Consumo per capita: 200 ℓ/hab.dia
K1 = 1,20
K2 = 1,50
Cota do terreno: figura
Comprimento dos trechos da rede
Determinar:
Diâmetro da rede;
Pressões;
Cotas piezométricas.
Planilha de Cálculo
Redes Malhadas
Não se conhece inicialmente o sentido de escoamento da água nas tubulações da rede.
Dimensionamento
• Método de otimização econômica: custo de implantação e operação da rede de tubulações e da estação elevatória seja mínimo
• Soluções aproximadas, chegando-se por tentativas à precisão desejada
Dimensionamento de Redes Malhadas
Métodos
Método do seccionamento
Método de cálculo iterativo
• método da correção de vazões (Hardy-Cross)
•Método da linearização (matricial)
A NBR 12218 determina que o dimensionamento deve ser pelo método de cálculo iterativo, que garantam resíduos máximos de vazão e de carga piezométrica de 0,1 l/s e 0,5 kPa, respectivamente.
Dimensionamento de Redes Malhadas
Métodos do Seccionamento é indicado:
redes de distribuição de cidades pequenas
Método de cálculo verificação de linhas secundárias de redes maiores
Dimensionamento de Redes Malhadas
Métodos do Seccionamento:
Supõem-se seccionados os circuitos fechados, transformando uma rede malhada em uma rede ramificada fictícia
Fixam-se os trajetos que água deverá seguir para atingir os diferentes pontos da rede (trajeto mais curto possível)
Dimensionamento de Redes Malhadas
Métodos do Seccionamento:
Dimensionamento de Redes Malhadas
Métodos do Seccionamento:
Dimensionamento é semelhante ao dimensionamento de redes ramificadas
Verificar a hipótese dos seccionamento adotados:
• a pressões resultantes nos pontos de seccionamento devem ser aproximadamente iguais (tolerável 5% do valor médio)
Dimensionamento de Redes Malhadas
Métodos do Seccionamento:
Verificar a hipótese dos seccionamento adotados:
• caso resulte uma distribuição insatisfatória de pressão na rede ou uma altura exagerada para o reservatório, altera-se:
- traçado da rede
- seccionamento inicialmente adotado
- diâmetro de alguns trechos
Dimensionamento de Redes Malhadas
Métodos
Método do seccionamento
Método de cálculo iterativo
• método da correção de vazões (Hardy-Cross)
•Método da linearização (matricial)
Dimensionamento de Redes Malhadas
Métodos de cálculo iterativo:
O número de variáveis desconhecidas no dimensionamento corresponde ao número de tubos na rede
A determinação das variáveis envolve a solução de igual número de equações simultâneas
Dimensionamento de Redes Malhadas
Métodos de cálculo iterativo:
Leis que regulam as equações:
• A soma algébrica das perdas de carga nos trechos de um circuito hidráulico deve ser nula ∑∆Hi,j = 0
• A soma das vazões que afluem a um nó deve ser igual a soma das vazões que saem do nó ∑Qi,j + Ei= 0
• Em cada elemento de cada sub-circuito deve ser satisfeita a lei de perda de carga ∆Hi,j = ri,jQi,j
n
Dimensionamento de Redes Malhadas
Métodos
Método do seccionamento
Método de cálculo iterativo
• método da correção de vazões (Hardy-Cross)
•Método da linearização (matricial)
Dimensionamento de Redes Malhadas
Métodos de Hardy-Cross:
Desenvolvido em 1936
Desenvolvimento manual dos cálculos de maneira simples
Aplicado para dimensionamento de condutos principais
Os condutos secundários são dimensionados pelos diâmetros mínimos estabelecidos
Dimensionamento de Redes Malhadas
Métodos de Hardy-Cross:
Modalidades:
• Por compensação das perdas de carga (menos empregado) – calcula as vazões
• Por compensação das vazões – calcula-se as perdas de carga
Dimensionamento de Redes Malhadas
Método de Hardy-Cross:
Modalidades:
• Por compensação das perdas de carga (menos empregado)
• Por compensação das vazões
Dimensionamento de Redes Malhadas
Método de Hardy-Cross (compensação das vazões ):
Dimensionamento de Redes Malhadas
Método de Hardy-Cross:
• ∑ Q = Q1 + Q2 – Q3 – Q4 - Qd = 0
• Anel I:
∑∆H = ∆H1 + ∆H2 – ∆H3 – ∆H4 = 0
•Anel II:
∑∆H = -∆H2 + ∆H5 – ∆H6 – ∆H7 = 0
Se ∑∆H ≠ 0, ∆Q = -[∑∆H/(n∑(∆H/Q)]
Dimensionamento de Redes Malhadas
Método de Hardy-Cross:
• Cálculo da perda de carga
∆H = rQn
Fórmula universal
∆H = 8fLQ2/ 2gD5 onde n = 2
Fórmula de Hazen-Williams
∆H = LQ1,85/(0,2785C)1,85 D4,87 onde n = 1,85
Exercício
Para o sistema onde o reservatório elevado abastece a rede principal com 3 anéis (figura abaixo) determinar os diâmetros e as pressões
Exercício
Dados:
densidade demográfica: 500 hab/ha
consumo per capita de água: 200 ℓ/hab.dia
K1 = 1,20
K2 = 1,50
Cota máxima do nível de água no reservatório: 800 m
Cota mínima do nível de água no reservatório: 796 m
Comprimento dos trechos e nós definidos na figura
C = 120
Número do nó
Área ( ha) Vazão (ℓ/s) Vazão adotada
(ℓ/s)
1 30 62,5 63
2 36 75,0 75
3 20 41,67 42
4 20 41,67 42
5 27 56,25 56
6 30 62,5 62,5
7 27 56,24 56
8 20 41,67 42
9 30 62,5 62
10 30 62,5 62
Total 270 562,5 562,5
Vazões concentradas nos nós
Planilha para aplicação do método de Hardy-Cross
Anel Trecho Diâmetro Vazão
Inicial (Q0)
Perda de
Carga h0
nh0/Qo ∆ Qo Q1 h1 nh1/Q1 ∆ Q2 Q2 h2
(m) (ℓ/s) (m) (ℓ/s) (ℓ/s) (ℓ/s) (m) (m) (ℓ/s) (ℓ/s) (m)
1 - 2
2 - 3*
3 - 4
4 - 5
5 - 1
∑= ∑= ∑=
∆Q= ∆Q=
2 - 6
6 - 7
7 - 8
8 - 3*
3 - 2*
∑= ∑= ∑=
∆Q= ∆Q=
3 - 8*
8 - 10
10 - 9
9 - 4
4 - 3*
∑= ∑= ∑=
∆Q= ∆Q=
Dimensionamento de Redes
É usual a utilização da tabela ao lado para o dimensionamento da rede:
D (mm) Vmáx (m/s) Qmáx (ℓ/s)
50 0,50 1,0
75 0,50 2,2
100 0,60 4,7
150 0,80 14,1
200 0,90 28,3
250 1,10 53,9
300 1,20 84,8
350 1,30 125,0
400 1,40 176,0
450 1,50 238,0
500 1,60 314,0
550 1,70 403,0
600 1,80 509,0 Fonte: Martins (1976)
Velocidades máximas em função do diâmetro
Planilha para aplicação do método de Hardy-Cross
Anel Trecho Diâmetro Vazão
Inicial (Q0)
Perda de
Carga h0
nh0/Qo ∆ Qo Q1 h1 nh1/Q1 ∆ Q2 Q2 h2
(m) (ℓ/s) (m) (ℓ/s) (ℓ/s) (ℓ/s) (m) (m) (ℓ/s) (ℓ/s) (m)
1 - 2 0,55 326,5 2,11 0,0120 -7,3 319,2 2,02 0,0117 -3,6 315,6 1,98
2 - 3* 0,30 81 3,06 0,0670 4,6 85,6 3,39 0,0733 -4,9 80,7 3,04
3 - 4 0,20 20 0,83 0,0768 -14,2 5,8 0,08 0,0255 1,2 7,0 0,12
4 - 5 0,35 -117 -2,14 0,0338 -7,3 -124,3 -2,39 0,0356 -3,6 -127,9 -2,52
5 - 1 0,40 -173 -2,30 0,0246 -7,3 -180 -2,49 0,0255 -3,6 -183,9 -2,58
∑=1,56 0,2142 ∑= 0,61 0,1716 ∑= 0,04
∆Q= -7,3ℓ/s ∆Q= -3,6ℓ/s
2 - 6 0,40 170,5 2,99 0,0324 -11,9 158,6 2,62 0,0306 1,3 159,9 2,66
6 - 7 0,35 108 1,85 0,0317 -11,9 96,1 1,49 0,0287 1,3 97,4 1,53
7 - 8 0,25 52 2,46 0,0875 -11,9 40,1 1,52 0,0701 1,3 41,4 1,61
8 - 3* 0,20 -19 -0,75 0,0730 -18,8 -37,8 -2,69 0,0317 6,1 -31,7 -1,95
3 - 2* 0,30 -81 -3,06 0,0699 -4,6 -85,6 -3,39 0,0733 4,9 -80,7 -3,04
∑=3,49 0,2945 ∑= -0,45 0,3344 ∑= 0,81
∆Q= -11,9ℓ/s ∆Q= 1,3ℓ/s
3 - 8* 0,20 19 0,75 0,0730 18,8 37,8 2,69 0,0317 -6,1 31,7 1,95
8 - 10 0,25 29 1,11 0,0708 6,9 35,9 1,65 0,0850 -4,8 31,7 1,27
10 - 9 0,25 -33 -1,41 0,0790 6,9 -26,1 -0,92 0,0652 -4,8 -30,9 -1,25
9 - 4 0,35 -95 -1,94 0,0378 6,9 -88,1 -1,69 0,0355 -4,8 -92,9 -1,86
4 - 3* 0,20 -20 -0,83 0,0768 14,2 -5,8 -0,08 0,0255 -1,2 -7,0 -0,12
∑=-2,32 0,3374 ∑= 1,65 0,3429 ∑= -0,01
∆Q= 6,9ℓ/s ∆Q= -4,8ℓ/s
Pressões nos nós
Número do nó
Pressão estática mínima
( m)
Perda de carga (m)
Pressão dinâmica
mínima(m)
1 19 0,45 18,55
2 28 2,43 25,57
3 40 5,47 34,53
4 38 5,55 32,45
5 30 3,03 26,97
6 33 5,09 27,91
7 42 6,62 35,38
8 43 8,23 34,77
9 53 7,41 45,59
10 59 9,50 49,50
Pressões nos nós