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IPH 212 - Sistemas de Água e Esgotos Professores: Dieter Wartchow e Gino Gehling

Módulo 3 76

8. ESGOTOS PLUVIAIS Neste capítulo são abordados os métodos para dimensionamento de sarjetas e de galerias pluviais. O dimensionamento destes elementos depende do coeficiente de runoff, que é função do período de retorno T adotado pelo projetista. Para T = 5 a 10 anos, podem ser usadas as tabelas abaixo. Tabela 8.1: Coeficientes de runoff para distintos tipos de áreas. Descrição da área Coeficiente de runoff Área comercial central 0,70 a 0,95 Área comercial em bairros 0,50 a 0,70 Área Residencial

Residências isoladas 0,35 a 0,50 Unidades múltiplas (separadas) 0,40 a 0,60 Unidades Múltiplas (conjugadas) 0,60 a 0,75 Lotes com 2.000 m2 ou mais 0,30 a 0,45

Área com prédios de apartamentos 0,50 a 0,70 Área industrial leve 0,50 a 0,80 Área industrial pesada 0,60 a 0,90 Parques, cemitérios 0,10 a 0,25 Playgrounds 0,20 a 0,35 Pátios de estradas de ferro 0,20 a 0,40 Áreas sem melhoramentos 0,00 a 0,30 Tabela 8.2: Coeficientes de runoff para distintos tipos de superfície. Característica da superfície Coeficiente de runoff Ruas com pavimento asfáltico 0,70 a 0,95 Ruas com pavimento de concreto 0,80 a 0,95 Passeios 0,75 a 0,85 Telhados 0,75 a 0,95 Terrenos relvados (solos arenosos)

Pequena declividade (2%) 0,05 a 0,10 Média declividade (2% a 7%) 0,10 a 0,15 Forte declividade (7%) 0,15 a 0,20

Terrenos relvados (solos pesados) Pequena declividade (2%) 0,15 a 0,20 Média declividade (2% a 7%) 0,20 a 0,25 Forte declividade (7%) 0,25 a 0,30

8.1 CAPACIDADE DE CONDUÇÃO HIDRÁULICA DE RUAS E SARJETAS A capacidade de condução da rua ou da sarjeta pode ser realizada de duas formas diferentes:


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a) a água escoando por toda a calha da rua;

Figura 8.1: escoamento por toda a calha da rua.

b) a água escoando só pelas sarjetas.

Figura 8.2: escoamento só pela sarjeta.

Para a primeira hipótese (figura 8.1), admite-se: - declividade do leito carroçável da rua (seção transversal): IT = 3 % - altura d’água na sarjeta...................................................: y0= 0,15 m Para a segunda hipótese (figura 8.2), admite-se: IT = 3 %

y = 0,10 m O dimensionamento hidráulico pode ser realizado pela expressão de Strickler-Manning:

3/22/1HL RIKV ⋅⋅=

Onde: V = velocidade da água na sarjeta, em m/s; IL = declividade longitudinal da rua, em m/m; K = adotado igual a 60, para os pavimentos comuns das vias públicas. RH = em m ⇒ (RH = Am ) Pm Exemplo: Para uma determinada rua, cuja declividade longitudinal (IL) da rua é 0,5% e a declividade transversal do leito carroçável é de IT = 3 %, definir: a) a capacidade máxima de transporte pela calha; b) a capacidade máxima de transporte pelas sarjetas. Admitir: - altura global da guia (y0) = 0,15 m - altura de água na sarjeta (y) = 0,10 m - declividade longitudinal da rua (IL) = 0,005 m/m


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Solução: a) Primeiro caso (capacidade global da calha da rua):

Obs: h1= y0 (da fig. 8.1)

VAQ ⋅= e, 3/22/1HL RIKV ⋅⋅=

3/22/1

HL RIKAQ ⋅⋅⋅=

y0 = 0,15 m b = 0,15 = 5,0 m IT = 0,03 m/m 0,03 Am = y0 x b = 0,15 x 5,0 = 0,375 m2 2 2 Pm = 0,15 + [ ( 0,15 )2 + ( 5,0 )2 ]1/2 ≅ 5,15 m RH = Am = 0,375 = 0,0728 m Pm 5,15 Q = 0,375 . 60 . (0,005)1/2 . (0,0728)2/3 = 0,277 m3/s = 277 l/s Para toda a rua, ou seja, para os dois lados da rua, tem-se: Q = 0,277 . 2 = 0,554 m3/s = 554 l/s b) Segundo caso (capacidade das sarjetas para y = 0,10 m):

y = 0,10 m b = 0,10 = 3,33 m IT = 0,03 m/m 0,03

Am = yx b = 0,10 x 3,33 = 0,167 m2 2 2

Pm = 0,10 + [ ( 0,10 )2 + ( 3,33)2 ]1/2 ≅ 3,43 m RH = Am = 0,167 = 0,0485 m Pm 3,43


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Q = 0,167 . 60 . (0,005)1/2 . (0,0485)2/3 = 0,094 m3/s Para duas sarjetas (ambos os lados da rua): Q = 0,094 . 2 = 0,188 m3/s = 188 l/s 8.2 BOCAS DE LOBO As bocas de lobo são os pontos de admissão das águas de chuva à rede pluvial. Localizam-se junto ao meio-fio. Em caso de topografia acidentada sua localização deve ser procedida com cuidados. As caixas existentes junto a cada boca de lobo devem ter a geratriz inferior do tubo de saída elevada em relação ao fundo das caixas, a fim de possibilitar a retenção de areia, que deve ser periodicamente removida pelas equipes de manutenção do sistema.

Figura 8.3: Locação de Caixas de Ligação A locação das bocas de lobo atende as recomendações que seguem:

a) serão locadas em ambos os lados da rua quando a saturação da sarjeta o requerer, ou quando forem ultrapassadas as suas capacidades de engolimento;

b) serão locadas nos pontos baixos das quadras: c) recomenda-se adotar um espaçamento máximo de 60m entre as bocas de lobo,

caso não seja analisada a capacidade de escoamento da sarjeta; d) a melhor solução para a instalação de bocas de lobo é em pontos pouco a

montante de cada faixa de cruzamento usada pelos pedestres, junto as esquinas; e) não é conveniente a sua localização junto ao vértice de ângulo de interseção das

sarjetas de duas ruas convergentes pelos seguintes motivos; os pedestres para cruzarem uma rua, teriam que saltear a torrente num trecho de máxima vazão superficial; as torrentes convergentes pelas diferentes sarjetas teriam como resultante um caudal de velocidade em sentido contrário ao da afluência para o interior da boca de lobo.

BL......... Boca de Lobo CL......... Caixa de Ligação PV......... Poço de Visita


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8.2.1 Tipos de bocas de lobo As bocas de lobo podem ser classificadas em três grupos principais: - bocas de meio-fio, ou ralos de guias: é a solução mais frequentemente observada em Porto Alegre, ainda que em muitos casos não sejam dotadas do indispensável ralo, que evita o ingresso de corpos estranhos para o sistema, como garrafas PET. A figura abaixo representa uma boca de meio-fio, ou ralo de guia.

Figura 8.4: boca de meio-fio ou ralo de guia. - ralos de sarjetas (grelhas): a figura que segue representa o que vem a ser o ralo de sarjeta:

Figura 8.5: ralo de sarjeta. - ralos combinados: este tipo de boca de lobo seria uma combinação dos dois casos anteriores, tendo-se um ralo na sarjeta e outro, de mesma largura, no meio-fio. Este tipo de boca de lobo caracteriza-se por uma grande capacidade de admissão de água.

Figura 8.6: ralo combinado.

Ralo

L

Ralo

a

b

Ralo

a

b


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8.2.2 Capacidade de engolimento em pontos baixos de sarjetas Com relação à capacidade de engolimento, deve-se atentar que em terrenos planos a água pode se aproximar pelos dois lados da sarjeta, como se vê na figura seguinte, que apresenta uma vista frontal de uma boca de lobo (BL) de meio-fio.

‘ Figura 8.7: aproximação da água pelos dois lados da sarjeta.

a) Boca de lobo de entrada pela guia (ou meio-fio): Se a água que se acumula sobre a boca de lobo gerar uma altura menor que a abertura na guia, este tipo de boca (figura 8.4) pode ser considerada um vertedor e sua capacidade de engolimento será:

2/37,1 YLQ ⋅⋅=

onde: Q = vazão de engolimento, em m3/s; 1,7 = coeficiente de descarga, adimensional; Y = altura d’água, próximo a abertura na guia, em m; L = comprimento da soleira, em m. Deve-se executar uma depressão de alguns centímetros nas imediações da boca. A solução expedita (gráfica) do problema pode ser obtida mediante o uso da figura 8.8. Quando a altura d’água (Y) sobre o local for maior do que o dobro da abertura na guia, a vazão é calculada por (no espaço abaixo será feita uma figura explicativa em aula): Q = 3,101 . L . h1/2 (Y’/h)1/2 onde : L = comprimento da abertura, em m; h = altura da boca de lobo na guia, em m; Y’= carga no meio da abertura da guia, em m (Y’ = Y - h/2)

BL


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b) Boca de lobo com grelha: Um padrão adotado com freqüência para as bocas de lobo com grelha é 0,29m de altura por 0,87m de comprimento (para FoFo). A grelha funciona como um vertedor de soleira livre, para profundidade de lâmina até 12 cm. Se um dos lados for adjacente à guia, este lado L deve ser excluído do perímetro da mesma. A vazão é:

2/37,1 YPQ ⋅⋅=

onde: Y = altura d’água na sarjeta, sobre a grelha, em m; P = perímetro do orifício, em m. Para profundidades de lâminas maiores que 12 cm, a vazão será:

2/191,2 YAQ ⋅⋅=

onde: A = área da grade, excluídas as áreas ocupadas pelas barras, em m2; Y = altura d’água na sarjeta, sobre a grelha, em m. Obs: Para h < y < 2h, a boca de lobo funciona em condição de transição, instável e indefinido, entre vertedor (Q = 1,7.P.Y3/2) e orifício (Q = 2,91.A .Y1/2). c) Bocas de lobo combinadas (entrada pela guia e pela grelha): A capacidade teórica de esgotamento das bocas de lobo combinadas, é aproximadamente igual ao somatório das vazões pela grelha e pela abertura na guia, consideradas isoladamente. Exemplo: Seja dimensionar a boca de lobo, para uma vazão de 94 l/s na sarjeta e uma lâmina de água de 0,10 m. A depressão no local da boca de lobo é de 5 cm. A altura da abertura na guia é a abertura padrão de 15cm. Solução “a”: Como boca de lobo de guia (caso a, pág. 81): a.1) Da equação Q = 1,7 . L . Y3/2 (vide ítem 8.2.2, sub-ítem a) resulta: L = Q = 0,94 = 1,75 m 1,7 (Y)3/2 1,7 (0,10)3/2 Logo, haverá a necessidade de um comprimento de 1,75 m de soleira. Pode-se optar por duas bocas de lobo padrão, com 1,0 m cada, e guia com h = 0,15 m.

Passeio Grelha adjacente à guia


Módulo 3 83

a.2) Graficamente (atentar para simbologia da figura 8.8, onde h é altura da abertura

na guia): Da figura 8.8, retira-se (válida só para depressão a = 5 cm): Y0/h = 0,10 ≅ 0,67 0,15 - Q/L = 55 l/s.m Como Q = 94 l/s, L = 94 = 1,71 m; Resultado praticamente igual ao anterior. 55

Figura 8.8: Capacidade de esgotamento das BL simples com depressão 5cm em pontos baixos das sarjetas.


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Solução “b”: Como boca de lobo de grelha (caso b, pág. 82) b.1) Da equação Q = 1,7 . P . Y3/2 (vide ítem 8.2.2, sub-ítem b) resulta: P = Q = 0,094 = 1,75 m 1,7(Y)3/2 1,7(0,10)3/2 P = 2b +a (conforme figura 8.5)

Admitindo uma face “a” adjacente à guia, vem, para b = 0,29 m (padrão): P = a + 2b ∴1,75 = a + 2 . 0,29 a = 1,75 - 0,58 = 1,17 m Utiliza-se duas grelhas padrão (0,29m de largura e 0,87m de comprimento) c) Como boca de lobo combinada: Admitindo-se boca de lobo de guia padrão: Y = 0,15 m L = 1,0 m E admitindo boca de lobo de grelha padrão: a = 0,87 m b = 0,29 m Obtém-se para B.L. guia (caso a, pág. 81): Q = 1,7 . L . Y3/2 = 1,7 . 1,0 . (0,10)3/2 = 0,054 = 54 l/s Resultando para B.L.grelha: Q = 1,7 . P . Y3/2 = 1,7 . ( 0,87 + 0,58 ) . ( 0,10 )3/2 = 0,078 = 78 l/s como: Qglobal = 54 + 78 = 132 l/s > 94 l/s (ok) 8.2.3. Capacidade de engolimento em pontos intermediários das sarjetas Engolimento pelas BL em pontos intermediários das sarjetas, é o caso em que as sarjetas estão em ruas em declive, e toda a vazão aflui à sarjeta por um único lado. Neste caso as BL são dimensionadas para engolir de 90 a 100 % da vazão afluente. A vazão não captada escoará pela sarjeta em direção à BL seguinte. Cabe ressaltar que, por segurança, todas as BL devem ser dimensionadas considerando uma redução no valor teórico de esgotamento, como sugerido na tabela abaixo.


Módulo 3 85

Tabela 8.3: Percentual de esgotamento (coeficientes de redução) nas BL devido a obstruções por detritos, irregularidades nos pavimentos e hipóteses de cálculo não correspondendo à realidade. Local da BL nas sarjetas

Tipo de BL % de esgotamento sobre o valor teórico

Ponto baixo Simples Com grelha Combinada

80 50 65

Ponto intermediário

Simples Grelha longitudinal Grelha transversal, ou longitudinal com barras transversais Combinada

80 60 50 110% dos valores indicados para a grelha correspondente

8.2.3.1. Engolimento por boca de lobo simples com depressão (a) A Figura 8.9 (vide pág. seguinte – Fonte Drenagem Urbana, Manual de Projeto –

CETESB, 1986) apresenta as grandezas características de uma BL simples, com a sarjeta em depressão (a), instalada em trechos intermediários. A vazão esgotada é dada por:

gyyCKL

Q••+= )( , onde K e C são adimensionais

Para L1 = 10a, L2 = 4a, W = 8a, o valor de K será 0,23, o valor de C é dado por:

2

12,1

45,0XF

C = , onde: θtga

LX

•= e F é o número de Froude, dado por:

gy

VF = , ou

−= 122

y

EF

Onde ygA

Qy

g

VE +=+=

2

20

2

2

)(

2

Obs: se L2 = 4a e a = b, a primeira equação apresentada no item 8.2.3.1. terá uma outra forma, como apresentado em Drenagem Urbana, Manual de Projeto – CETESB, 1986,

pág. 287. 8.2.3.2. Engolimento por boca de lobo simples sem depressão (a = 0) Neste caso, C = 0, y = y0 e tgθ = tg 0θ . Os valores de K são função de tg 0θ , como

segue: Tabela 8.4: Valores de K em função de tg 0θ

tg 0θ . K

12 0,23 24 0,20 48 0,20

Obs: θ e 0θ são apresentados na Figura 8.9. A vazão admitida pela BL, será dada por:

00 ygyKL

Q•••=


Módulo 3 86

Onde: θtan=Z e, 2/13/8375,0 iyn

ZQ ••••=

Exercício: Dimensione uma BL simples sem depressão, em ponto intermediário de sarjeta, para: Q0 = 28 L/s; n = 0,016; i = 0,03m/m; it = 0,02m/m; tg 0θ = 24; W= 30cm. Calcule o comprimento da BL para 90% e 100% de esgotamento do valor teórico (sem detritos...)

Solução: As vazões para 90% e 100% de esgotamento do valor teórico, serão:

Q90 = 28/0,9= 31 L/s Q100 = 28/1,0 = 28 L/s

Figura 8.9: Bocas de lobo simples, em pontos intermediários das sarjetas.

L

L2


Módulo 3 87

Com o emprego das equações apresentadas no item 8.2.3.2, tem-se: θtan=Z = 30/1,25 = 24

Arbitram-se valores para y (como é sem depressão, y = y0) a) Dimensionamento para Q = 31L/s (admissão de 90% da vazão teórica)

Para y = 4 cm, tem-se: (na fórmula abaixo entra a decliv. longitudinal “ï”da sarjeta,

bem como a decliv. perpendicular, esta na forma da variável Z)

2/13/8375,0 iyn

ZQ •••= = 2/13/8 03,004,0

016,0

24375,0 ••• = 0,018m3/s = 18 L/s

Para y = 4,9 cm, tem-se:

2/13/8 03,0049,0016,0

24375,0 •••=Q = 31 L/s

Então: 00 ygyKL

Q•••= , onde K = 0,20, em função de tan 0θ = 24 (tabela 8.4)

049,081,9049,020,0 •••=L

Q = 0,0068 m3/s.m = 6,8 L/s.m

Para Q/Q0 = 90%, tem-se L = (31L/s)/(6,8 l/s.m) = 4,56 = 4,6m (largura BL, com y = 4,9cm). Adota-se uma altura para a abertura de 14cm, que é um valor usual. b) Dimensionamento para Q = 28L/s (admissão de 100% da vazão teórica)

Para y = 4,7 cm, tem-se:

2/13/8 03,0047,0016,0

24375,0 ••••=Q = 28 L/s

Então: 00 ygyKL

Q•••= , onde K = 0,20, em função de tan 0θ = 24 (tabela 8.4)

047,081,9047,020,0 •••=L

Q = 0,0064 m3/s.m = 6,4 L/s.m

Para Q/Q0 = 100%, tem-se L = (31L/s)/(6,4 l/s.m) = 4,38m (largura BL, com y = 4,9cm). Adota-se uma altura para a abertura de 14cm, que é um valor usual. 8.3 GALERIAS CIRCULARES

Há duas hipóteses para locação de coletores de águas pluviais: ou sob o passeio, ou sob o eixo da via pública. O recobrimento mínimo sugerido é de 1,00m sobre a geratriz superior externa do tubo, devendo permitir a ligação dos tubos de escoamento das bocas de lobo, cujo recobrimento mínimo é de 0,60m. 8.3.1 Aspectos gerais Da hidráulica sabemos que: Q = A . V e V = RH

2/3 . I1/2 ou V = K . RH2/3 . I1/2

n Sabe-se também que, em um tubo funcionando à seção plena, tem-se: RH = D 4


Módulo 3 88

Deduz-se assim uma equação para “D”:

Q = A.V ; n

IRV H

2/13/2⋅

= ; 213

2

4

1I

D

nV ⋅

=

3/5

3/82/12

13/22

44

1

4

DI

nI

D

n

DQ

⋅⋅=⋅

⋅⋅

⋅=

ππ

8/3

2/1

8/3

2/1

8/3

2/1

3/5

5483,1,,5483,14

⋅=

⋅⋅=

⋅

⋅⋅=

IK

QDou

I

nQ

I

nQD

π

Seja calcular a galeria circular necessária para a condução da vazão de 94 l/s, sendo I= 0,001 m/m. Adotar “n” de Manning igual a 0,013 (equivaleria a “K” de Strickler-Manning igual a 76,9). Solução:

457,0001,0

013,0094,05483,15483,1

8/3

2/1

8/3

2/1=

⋅⋅=

⋅⋅=

I

nQD

Como DN 500 > DN 457, a lâmina não será 100 %. Há que se obter os elementos para o tubo parcialmente cheio. FH = Q . n = 0,094 . 0,013 = 0,2453 D8/3.I1/2 (0,500)8/3. (0,001)1/2 Para FH = 0,2453 , RH = 0,2917 e h = 0,67 D D

RH = 0,2917 . 0,500 = 0,146 m; smn

IRV H /67,0

013,0

)001,0()146,0( 2/13/22/13/2

=⋅

=⋅

=

8.3.2. Modelo de cálculo para determinação de vazões de galerias pluviais em áreas urbanas O modelo adotado é o chamado Método Racional, dado pela expressão: Q = 2,78 . C . I . A onde: Q = vazão, em l/s; C = coeficiente de escoamento superficial (adimensional), coeficiente de Runoff; I = intensidade de chuva, mm/h; A = área da bacia, em ha. A intensidade de chuva I (equação anterior) é particular para cada localidade. A figura seguinte apresenta as curvas de intensidade (I) e duração, para diversos períodos de recorrência em Porto Alegre.


Módulo 3 89

Figura 8.10: Curvas intensidade x duração x freqüência para Porto Alegre-RS (fonte: DMAE) Cada par de bocas de lobo é ligado a um PV, conforme observa-se na figura 8.3. O espaçamento entre pares de bocas de lobo deve ser ≤ 50 m. As caixas de ligação, observadas na figura 8.3, são usadas quando são necessárias bocas de lobo intermediárias em uma quadra, para evitar chegar a um PV com mais de quatro tubos. As caixas de ligação diferem de um PV por não serem visitáveis.


Módulo 3 90

A distância máxima entre PVs é referida na tabela 8.5, que vale para São Paulo. Cada município costuma ter distâncias limite próprias, geralmente inferiores as da tabela 8.5. Em Porto Alegre, por exemplo, o caderno de encargos do DMAE, estabelece a distância entre PVs no item 5.16, anexos 5.12 a 5.18. O referido caderno pode ser baixado pela Internet do site do DEP ou do site da ABTC. http://lproweb.procempa.com.br/pmpa/prefpoa/dep/default.php?p_secao=47 www.abtc.com.br/publicacoes/1.pdf Tabela 8.5: Distância máxima entre PVs (fonte: DAEE/CETESB, 1980).

D(m) Distância máxima (m) 0,30 120 0,50 150 ≥1,00 180

A chuva de projeto deve ser adotada para um período de retorno ou de recorrência de 5 anos; a sua duração, que se confundirá com o tempo de concentração, deve ser fixado para as cabeceiras de rede em 10 minutos. O tempo de percurso em cada trecho é dado pela expressão: tp = L__ V . 60 onde: tp = tempo de percurso, em minutos; L = comprimento do trecho, em m; V = velocidade no trecho, em m/s. De uma curva Intensidade/Duração/Frequência, retira-se para 10 minutos e período de retorno de 5 anos, a intensidade da chuva de projeto, e com a definição do coeficiente de Runoff e da área de drenagem, calcula-se a vazão a ser drenada. A medida que se avança nos trechos, o tempo vem sendo acumulado (tempo de duração = tempo de concentração), de forma que a intensidade da chuva diminui (é uma exponencial inversa). Quando se encontra um PV que recebe concomitantemente vazões de vários trechos, não se somam esses tempos, mas adota-se àquele de maior valor; isso leva a uma chuva de menor intensidade, mas como as áreas drenadas vêm sendo acumuladas, a vazão cresce. Para bacias externas grandes, pode-se adotar como tc = td inicial a: (Fórmula de Kirpich)

385,03

57

⋅=

H

Ltc

onde: tc = tempo de concentração (min) L = comprimento do talvegue, em km; H = máximo desnível ao longo de L, em km O coeficiente de Runoff varia de 0,10 a 0,95, sendo comum a adoção de valores como 0,60 e 0,70. As chuvas de projeto podem ser obtidas das curvas constantes do Manual de Drenagem Urbana da CETESB, onde as mesmas constam em mm/min (basta transformá-las em mm/h).

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