adutoras - capitulo 6 - ed

UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁSUNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁSDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVILDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

CAMPUS CATALÃOCAMPUS CATALÃO

SANEAMENTO BÁSICOSANEAMENTO BÁSICOProfessor Ed Carlo Rosa PaivaProfessor Ed Carlo Rosa Paiva

ADUTORAS

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CAMPUS CATALÃOCAMPUS CATALÃO

ADUTORAS EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA

CLASSIFICAÇÃO DAS ADUTORAS

Quanto à natureza da água transportada

� Adutoras de água bruta

� Adutoras de água tratada

Quanto à energia para a movimentação da água

� Adutora por gravidade

� Adutora por recalque

� Adutoras mistas


Adutoras por gravidade

�Condutoforçado

�Conduto livrelivre

CondutoLivreEforçado


Adutoras por recalque

� Recalque simples

� Recalque duplo


Adutora mista

VAZÃO DE DIMENSIONAMENTODAS ADUTORAS

� Fatores intervenientes:

� Horizonte de projeto

� Vazão de adução� Vazão de adução

� Período de funcionamento da adução

HORIZONTE DE PROJETO

� Fatores a serem considerados:

� Vida útil da obra

� Evolução da demanda de água� Evolução da demanda de água

� Custo da obra

� Flexibilidade na ampliação do sistema

� Custo da energia elétrica

VAZÃO DE ADUÇÃO

PERÍODO DE FUNCIONAMENTO DA ADUÇÃO

� Período de funcionamento → função do

dimensionamento hidráulico

� Aduções por gravidade: 24 h/dia

� Adução por recalque: 16 a 20 h/dia� Adução por recalque: 16 a 20 h/dia

� Adução por recalque – economia de energia

elétrica

� Parada das bombas no período de 3 horas, entre

17:00 e 22:00 h

HIDRÁULICA PARA ADUTORAS

� Equações gerais� Equação de energia

Equação de Bernoulli

onde: Z = carga de posição, m;P/ᵧ = carga de pressão (em conduto livre = Y), m;V2/2g = carga cinética, m;V2/2g = carga cinética, m;∆h = perda de carga.

– Z + P/ᵧ , corresponde à linha piezométrica;– Z + P/ᵧ + V2/2g , corresponde à linha de carga;– Z + P/ᵧ + V2/2g + ∆h, corresponde ao plano de carga


Escoamento: conduto livre Escoamento: conduto forçado


� Equações gerais

� Equação da continuidade

Q = V1A1 = V2A2 = VA = constanteQ = V1A1 = V2A2 = VA = constante

onde: Q = vazão, m3/s

V= velocidade média na seção, m/s

A = área da seção de escoamento, m2

HIDRÁULICA PARA ADUTORAS� Equações para cálculo das perdas de carga

Perdas distribuídasCondutos forçadosFórmula Universal

Onde: ∆h = perda de carga, mOnde: ∆h = perda de carga, mf = coeficiente de atritoL = comprimento da

tubulação, mV = velocidade média,

m/sD = diâmetro da

tubulação, mg = aceleração da

gravidade, m/s2Q = vazão, m3/s


Equações para cálculo das perdas de carga•

Perdas distribuídas– Condutos forçadosFórmula de Hazen-Williams (1903)

Onde: J = perda de carga unitária, m/munitária, m/m

Q = vazão, m3/sD = diâmetro, mC = coeficiente de

rugosidade

Equações para cálculo das perdas de carga

• Perdas localizadas

Onde: ∆h/L = perda de carga localizada, mK = coeficiente adimensional que depende da singularidade, donúmero de Reynolds, da rugosidade da parede e, em alguns casos,das condições de escoamentoV = velocidade média, m/s e g = aceleração da gravidade, m/s2

� Traçado das adutoras por gravidade e a posição do plano de carga e da linha piezométrica

TRAÇADO DA ADUTORA

Adutora por gravidade com tubulação assentada abaixo da linha piezométrica efetiva

TRAÇADO DA ADUTORA

Adutora por gravidade com tubulação assentada abaixo da linha piezométrica efetiva

TRAÇADO DA ADUTORA

� a pressão correpondente ao segmento MM’, é superior à pressão

atmosférica em todo perfil.

� Atenção:

� Deve-se tomar cuidado com a formação de bolsões de ar nas � Deve-se tomar cuidado com a formação de bolsões de ar nas

partes altas da tubulação. Isto pode reduzir a vazão escoada ou até

mesmo interrompe-la. Recomenda-se nesses casos o uso de

ventosas.

� Deve-se adotar o uso de descargas, nas partes inferiores da

tubulação com o objetivo de facilitar o esvaziamento da tubulação

nos períodos de manutenção. Dado prático (dd ≥ D/6).

Adutora por gravidade com tubulação em conduto livre

TRAÇADO DA ADUTORA

Adutora por gravidade com trecho da tubulação abaixo da linha piezométrica absoluta, porém acima da piezométrica efetiva

TRAÇADO DA ADUTORA

Adutora por gravidade com trecho da tubulação abaixo da linha piezométrica absoluta, porém acima da piezométrica efetiva

TRAÇADO DA ADUTORA

� O trecho acima fica sujeito a pressões inferiores a Patm;

� pode haver contaminação da água, caso haja rompimento nesse � pode haver contaminação da água, caso haja rompimento nesse

local;

� Melhor solução: construção de uma caixa de transição no ponto

mais alto da tubulação.

Adutora por gravidade com trecho da tubulação acima da linha piezométrica efetiva e plano de carga efetivo, porém abaixo da linha piezométrica absoluta

TRAÇADO DA ADUTORA

Adutora por gravidade com trecho da tubulação acima da linha piezométrica efetiva e plano de carga efetivo, porém abaixo da linha piezométrica absoluta

TRAÇADO DA ADUTORA

� No trecho situado acima do nível do reservatório R1 o

escoamento só é possível após o enchimento da tubulação (Caso

do Sifão);

� A adutora deverá ser implantada, de preferência em ruas e

terrenos públicos

� Deve-se evitar traçado onde o terreno é rochoso, pantanoso

e de outras características não adequadas

RECOMENDAÇÕES PARA O TRAÇADO

� A adutora deve ser composta de trechos ascendentes com

declividade não inferior a 0,2% e trechos descendentes com

declividade não inferior a 0,3%, mesmo em terrenos planos

� Quando a inclinação do conduto for superior a 25%, há

necessidade de se utilizar blocos de ancoragem para dar

estabilidade ao conduto

� Não se devem executar trechos de adução horizontal; no

caso do perfil do terreno seja horizontal, o conduto deve

apresentar alternadamente, perfis ascendentes e

descendentes

� São recomendados os traçados que apresentam trechos


� São recomendados os traçados que apresentam trechos

ascendentes longos com pequena declividade, seguido de

trechos descendentes curtos, com maior declividade

� A linha piezométrica da adutora em regime permanente

deve situar-se, em quaisquer condições de operação, acima da

geratriz superior do conduto.

PLANTA E PERFILDE

UMA ADUTORA

DIMENSIONAMENTO DAS ADUTORASPOR GRAVIDADE

� Parâmetros para o cálculo da adutora:

� Vazão (Q)

� Velocidade (V)� Velocidade (V)

� Perda de carga unitária (J)

� Diâmetro (D)


� Adutora por gravidade em conduto forçado

onde: ∆h = cota NA1 – cota NA2, m/s

f = coeficiente de atrito

L = comprimento da adutora, m

D = diâmetro da adutora, m

V = velocidade média da água, m/s

g = aceleração da gravidade, m/s2


� Adutora por gravidade em conduto livre

onde: V = velocidade média onde: V = velocidade média Do escoamento, m/sn = coeficiente de ManningRH = raio hidráulico, mI = declividade da linhade energia, m/m

***Velocidade máximas em condutosforçados: 3,0 a 6,0 m/s

DIMENSIONAMENTO DAS ADUTORA POR RECALQUE

� Parâmetros para o cálculo da adutora:

� Vazão de adução, Q

� Comprimento da adutora, L

� Desnível a ser vencido, Hg – Material da adutora

� Diâmetro da adutora por recalque → hidraulicamente

indeterminado

� Determinação do diâmetro → aspectos econômico-

financeiros

DIMENSIONAMENTO DAS ADUTORA POR RECALQUE

DIMENSIONAMENTO DAS ADUTORAS

� Recomendações para o estudo do diâmetro econômico da

adutora

� Pré-dimensionamento do diâmetro através da fórmula de

Bresse, utilizando-se, no mínimo, os valores de K de 0,9, 1,0,

1,1 e 1,2. A fórmula de Bresse é apresentada a seguir:

�onde: D = diâmetro, m

�Q = vazão, m3/s

�K = coeficiente de Bresse.

DIMENSIONAMENTO DAS ADUTORAS� Análise econômica através do critério do valor presente,

com taxa de desconto de 12% ao ano, ou indicada pelo

órgão financiador do empreendimento;

� Consideração de todos os custos não comuns, tais como:

� custo de aquisição e implantação da adutora;

� custo dos equipamentos;

� despesas de energia elétrica;� despesas de energia elétrica;

� As obras comuns, como tubulações da elevatória, blocos

de ancoragem, descargas, ventosas, etc, não necessitam ser

consideradas;

� Definição das etapas de implantação da adutora e dos

conjuntos motor-bomba;

� Alternativas a serem estudadas com o mesmo tipo de

bomba e também com a mesma modulação.


ADUTORAS POR RECALQUE

Esse procedimento é conduzido da seguinte maneira:

a) Escolhem-se 3 a 4 diâmetros de adutora no entorno de

valor obtido pela aplicação da fórmula de Bresse;

b) Determinam-se: Alturas manométricas (Hm) x Qbomba,

sendo que Hm = ∑(desnível geométrico (Hg) + ∑ hf+∆h)

c) Calculam-se as potências das bombas necessárias para

cada caso, em função da vazão e da altura-manométrica;

d) Calculam-se os consumos anuais de energia elétrica para

cada caso, em função da potência do equipamento;


e) Procede-se, para cada alternativa, à determinação dos

custos anuais de amortização e juros do capital aplicados na

aquisição de equipamentos de recalque e da tubulação;

f) Da mesma forma determina-se o custo de operação

considerando principalmente os gastos com energia elétrica;

g) somam-se os custos anuais determinados nas letras e e f;

a comparação dessas somas permite conhecer o diâmetro da

tubulação que trará à máxima economia global.



Exemplo

Determinar o Φadutora de recalque com uma extensão de 2.200 m destinada a conduzir a vazão de 45 l/s, vencendo um desnível geométrico de 51 m.Admitir que a tubulação seja de fofo, coeficiente C de Hazen - Williams seja igual a 100.- Williams seja igual a 100.O funcionamento da adutora será de 24 h/dia.

Solução(1) - A fórmula de Bresse fornece o seguinte diâmetroaproximado:

__ _____D = 1,3 √Q = 1,3 √0,045 = 0,275 m. Para o estudo comparativo serão considerados os diâmetros comerciais de 200, 250 e 300 mm.



(2) - Serão admitidos equivalentes os custos de assentamento dos tubos nesses diâmetros e de instalação dos conjuntos elevatórios, independentemente da potência.

(3) - O fator de amortização e juros anuais referir-se-á a umprazo de 10 anos e juros de 12% a.a. prazo de 10 anos e juros de 12% a.a.

Nessas condições a amortização anual será de Cr$ 172,44 por Cr$ 1 000,00 de capital.

(4) - As perdas de carga localizadas ao longo da tubulação e na casa de bombas foram consideradas como sendo iguais 10 V2/2g, diante do número e tipo de peças especiais quepossivelmente serão utilizadas.


(5) - Potência consumida (kW) será calculada pela fórmula

Em que:Q = vazão em l/s;H = altura manométrica total em “m”;µ = rendimento global do conjunto bomba motor (µbomba xµ = rendimento global do conjunto bomba motor (µbomba xµmotor);

(6) - Preços admitidos:

Tubos de ferro fundido200 mm UM$ 70,00/ml250 mm UM$ 90,00/ml300 mm UM$ 120,0/ml

Energia elétrica: UM$ 0,15/kwh


(8) - A apreciação do quadro anterior permite deduzir que a

solução mais econômica quanto ao custo inicial de

construção e instalação é obtida quando se adota para a

adutora o diâmetro de 200 mm.

Entretanto, considerando também as despesas com a

amortização do capital e com o pagamento de energia

elétrica a adoção do diâmetro de 250 mm passará a ser

mais vantajosa.

MATERIAIS DAS ADUTORAS

Análises a serem consideradas para a escolha de materiais:

� Qualidade de água

� Quantidade de água

� Não provocar vazamentos nas juntas

� Não provocar trincas, corrosões e arrebentamentos por � Não provocar trincas, corrosões e arrebentamentos por

ações externas e internas

� Pressão da água

� Economia

PRINCIPAIS MATERIAIS DAS TUBULAÇÕES

� Tubos metálicos

� Aço� Ferro fundido dúctil� Ferro fundido cinzento (não está sendo fabricado no Brasil)

� Tubos não metálicos� Tubos não metálicos

� Materiais plásticos (PVC, poliéster reforçado com fibra de vidro)� Concreto protendido� Cimento amianto (não está sendo fabricado no Brasil)

TUBULAÇÃO DE AÇO

Vantagens

– Alta resistência às pressões internas e externas– Não apresenta vazamentos– Baixa fragilidade– Disponíveis em váriosdiâmetros e tipos de juntas

DesvantagensDesvantagens

– Pouca resistência à corrosão externa

– Precauções para transporte e armazenamento– Cuidados com a dilataçãotérmica– Dimensionamento de paredes dos tubo quanto

ao colapso.

TUBULAÇÃO DE AÇO� Revestimentos externos

� FBE (Fusion Bonded Epoxy)

� Polietileno tripla camada

� Poliuretano tar

� Primer epoxy com alumínio fenólico� Primer epoxy com alumínio fenólico

�Revestimento interno� Coaltar epoxy

TUBULAÇÃO DE AÇO� Tipos de juntas

TUBULAÇÃO DE FERRO FUNDIDO

Tipos de tubos

– Dúctil– Tipo cinzento → não é mais fabricado

Tipos de tubos

– Diâmetros: 50 a 1.200 mm– Diâmetros: 50 a 1.200 mm– Comprimento: 3, 6 e 7 m– Classes: K-9, K-7 e 1 Mpa

– Tipos de juntas:

� Chumbo� Elástica� Elástica travada� Mecânica� Flanges

TUBULAÇÃO DE FERRO FUNDIDO

Detalhes das juntas de tubulações de fofo dúctil

Junta elástica Junta elástica travadaJunta elástica Junta elástica travada

Junta mecânica Junta de flange

OPERAÇÃO DAS ADUTORAS

� Condições operacionais:

� Condição normal → condição prevista no projeto

� Condição emergencial → falha operacional de dispositivos

� Condição catastrófica → acidente operacional

ENCHIMENTO DE ADUTORAS

� Condição para enchimento:

� expulsão plena do ar, com a gradativa e lenta admissão de águaadmissão de água

� Velocidade média para enchimento: 0,3 m/s

� Válvulas para expulsão de ar: ventosas

BLOQUEIO DE ADUTORAS

� Consiste na total paralisação do escoamento, ocasionada pela existência de ar confinado nos pontos altos da adutora

Bloqueio da adutora por gravidade

Bloqueio da adutora por recalque

ALTERNATIVAS PARA A ENTRADA DE AREM ADUTORAS

� Consiste na total paralisação do escoamento, ocasionada pela existência de ar confinado nos pontos altos da adutora

Nível muito baixo

Descarga superior com introdução de ar

Formação de vórtice

TUBULAÇÃO COM BOLSA DE AR

Em movimentosem ressalto

Em repouso

Em movimento com ressalto

DESCARGA EM ADUTORAS

Descarga da adutora em galerias, valas e córregos

DESCARGA DE ADUTORAS SEMSISTEMA DE DRENAGEM PRÓXIMO

ESVAZIAMENTO DA ADUTORA

OPERAÇÃO DAS ADUTORASDescarga

Dimensões da descargaParâmetros básicospara o

dimensionamentoda descarga

onde: D = diâmetro da adutora, m;d = diâmetro da descarga, m;T = tempo de esvaziamento da adutora, h;Zm = carga média disponível , m;

L = extensão total da adutora entre os pontos altos nos quais há admissão de ar (L1 + L2), m;Zmáx = carga máxima de (Z1, Z2), m;Zmín = carga mínima de (Z1, Z2), m.

ADMISSÃO DE ARSegundo a NBR 591/1991 – ABNT deve ser previsto

dispositivo de descarga e admissão de ar nos seguintes

casos:

� Pontos suscetíveis de acumulação de ar;

� Pontos altos, imediatamente antes e logo após as

descargas de água da adutora.

� Dispositivo deve ser dimensionado para descarregar

uma vazão de ar igual a máxima vazão de água

(enchimento)

� Vmax ≤ 0,30 m/s

� Dispositivo deve admitir uma vazão de ar igual a

máxima vazão de água (descarregada) no ponto de

descarga mais próximo (condições normais).

ADMISSÃO DE AR

Dimensionamento das válvulas de admissão de ar

da = 0,21 Z1/4 d

onde: da = diâmetro da válvula de admissão de ar, m;d = diâmetro da descarga de água, m;Z = máximo de (Z1, Z2), m.

Regra prática:

Diâmetro da válvula ≥ 1/8 do diâmetro da adutora

ROMPIMENTO DE UMA ADUTORAa) Adutora em operação normal

b) Rompimento da adutora no ponto baixo Ebaixo E

c) Configuração final da adutora

CAIXA COM VÁLVULA DE ADMISSÃO DE AR

DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO DAS ADUTORAS

� Blocos de ancoragens

� Proteção contra corrosão� Proteção contra corrosão

� Proteção contra os transitórios hidráulicos

BLOCOS DE ANCORAGEM

� Tipos de esforços nas tubulações:

� Tensão tangencial� Tensão longitudinal� Tensões de compressão e flexão� Tensões das reações de apoio

Esforços em uma curva horizontal

BLOCOS DE ANCORAGEM� Resultante dos esforços:

R = k · P · A

onde: R = força resultante, NP = pressão máxima de teste, PaA = área da seção externa do tubo ou da saída do tê ou a diferença de áreas no caso de redução, m2

k = coeficiente, função da

Valor da força resultante paraderivações em “Y”

k = coeficiente, função da geometria da peça da tubulação:

- Flanges cegos, caps, tês: k = 1- Reduções: k = 1 – A´/A(A´ = seção de menor diâmetro)

-Curvas de ângulo θ: k = 2 sen(σ/2)

k = 1,414 para curvas de 90°k = 0,765 para curvas de 45°k = 0,390 para curvas de 22° 30’k = 0,196 para curvas de 11° 15’

BLOCOS DE

ANCORAGEMANCORAGEM

BLOCOS DE ANCORAGEMDimensionamento dos blocos:

Dados necessários

� Resultante das forças (direção e intensidade)� Tensão máxima admissível na parede lateral da vala� Coesão do solo� Ângulo de atrito interno do solo� Tensão máxima admissível pelo

Forças envolvidas nodimensionamento de um bloco de ancoragem

� Tensão máxima admissível pelo solo na vertical� Peso específico do solo� Especificações: concreto utilizado� Atrito concreto-solo

Critérios de cálculo

� Por atrito entre o bloco e o solo (peso do bloco);

� Por reação de apoio da parede da vala (engastamento).

R = força resultante;P = peso do bloco;W = peso do aterro;B = apoio sobre a parede da vala;f = atrito sobre o solo;M = momento de tombamento.

ANCORAGEM DE ADUTORAS EM DECLIVE

Força axial em tubulações com declividade

Ancoragem da tubulação

• Declividade ≥ 20% - tubulação área;

• Declividade ≥ 25% - tubulação enterrada

Força axial em tubulações com declividade

ANCORAGEM DE ADUTORAS EM DECLIVE

Assentamento de tubulação enterrada com ancoragem por

Assentamento de tubulação aérea: ancoragem tubo por tubo

Assentamento de tubulação enterrada com ancoragem por trecho travado

CORROSÃO

Corrosão → deterioração de material, por ação química ou

eletroquímica, aliada ou não a esforços mecânicos

CORROSÃO

Tipos de corrosão

� Corrosão galvânica

� Corrosão em frestas

� Corrosão atmosférica

� Corrosão pelo solo

� Corrosão pela água

� Corrosão eletrolítica

� Outros tipos de corrosão

CORROSÃO

Proteção catódica → consiste na injeção de

corrente contínua na estrutura

a ser protegida elevando seu

potencial em relação ao meiopotencial em relação ao meio

Sistemas de proteção catódica:

– corrente impressa

– corrente galvânica

PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃOProteção catódica galvânica

Proteção catódica por corrente impressaProteção catódica por corrente impressa

PROTEÇÃO CATÓDICA

Componentes principais

� Retificador e leito de anodos

� Drenagem

� Caixa de medição e interligação

� Pontos de teste

APLICAÇÃO DA PROTEÇÃO CATÓDICAEM UMA ADUTORA

LIMPEZA DAS ADUTORAS

Sedimentação Incrustação

Deposição de minerais insolúveisem tubo de ferro fundido dúctilcom revestimento. Adutora água tratada, ∅∅∅∅ 250 mm.Idade da tubulação ~ 15 anos. Coef. rugosidade C ~ 85 (Hazen-Williams).

Incrustação em tubo de ferrofundido dúctil sem revestimento.Adutora de água bruta, ∅∅∅∅ 250mm. Idade da tubulação ~ 25anos. Coeficiente de rugosidadeC ~ 70 (Hazen-Williams)

LIMPEZA DAS ADUTORAS

Polly-pig Raspador de arraste hidráulico

LIMPEZA DAS ADUTORASVariação do coeficiente de Hazen-Williams

devido a limpezas por raspagem

LIMPEZA DAS ADUTORASEntrada e saída do “polly-pig” em uma adutora

Introdução de “polly -pig” através de hidrante, sem registro

Introdução de “polly-pig” através de uma peça especial

Introdução do “polly-pig”através de uma peça em Y

APLICAÇÃO DO REVESTIMENTO DEARGAMASSA DE CIMENTO

MEDIDORES EM CONDUTOS FORÇADOS

� Medidores de vazão

� Medidores de obstrução

Venturi Orifício

EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO� Medidores em condutos forçados

� Medidores de vazão� Ultrassônicos � Eletromagnéticos

� Modo diagonal

� Modo reflexivo

MEDIDORES EM CONDUTOS LIVRE

� Vertedores: triangulares, circulares,

retangulares, Sutro, etc

� Calhas: Parshall, Palmer-Bowlus, etc

� Medidor eletromagnético

� Medidor ultrassônico

INTERVENÇÃO EM ADUTORAS EM CARGA

�Simulação de bloqueio com execução de by-pass


Seqüência do Seqüência do processo de furaçãoe bloqueio em carga

de adutoras


Equipamento de furação em carga

Equipamento de bloqueio de tubulação

INTERVENÇÃO EM ADUTORAS EM CARGADerivação pelo processo de furação em carga de

adutora

EXEMPLOS DE TRAVESSIA AÉREAEM CURSOS D’ÁGUA

TRAVESSIA AÉREA

TRAVESSIA DE UMA ADUTORA SOB UMAESTRADA DE FERRO

adutoras - capitulo 6 - ed

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