redes de distribuicao de agua

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


Reservatório a montante da rede


Reservatório a jusante da rede


Alimentação da rede através do reservatório de montante e reservatório de sobra à jusante


Alimentação direta na rede com reservatório de sobra


Alimentação direta na rede com reservatório de compensação


Alimentação direta na rede através de vários pontos


Alimentação direta na rede com tanque hidropneumático


Abastecimento de água de redes localizadas em setores distintos


Setorização da rede de abastecimento


Distribuição escalonada

Dimensionamento de Redes

Vazão para dimensionamento

Análise hidráulica

Pressões mínimas e máximas na rede

Velocidades mínimas e máximas

Diâmetro mínimo

Figura pág 399



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



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).



Vazão específica relativa à área

Q = K1xK2xPxq/86400xA

qd = vazão de distribuição (ℓ/s.ha)

A = extensão total da rede (há)



Conhecida a vazão de distribuição, deve-se determinar:

As vazões nos trechos

Cotas piezométricas no nós



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



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



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.



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



Limitações de velocidades:

Segurança e durabilidade das tubulações

Custo de implantação e de operação



Baixas velocidades:

Favorecem a durabilidade (abrasão)

Facilitam o depósito de materiais existentes na água



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



Velocidades altas:

Causam ruído na tubulação

Favorecem o desgaste pela abrasão e cavitação de peças e válvulas, aumentando os custos de manutenção



Para a NBR 12218:

Velocidade mínima: 0,6 m/s

Velocidade máxima: 3,5 m/s


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


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


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


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


Método Tradicional

Passos:


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


Método Tradicional

Passos:


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


Método Tradicional

Passos:


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


Método Tradicional

Passos:


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)


Método Tradicional

Passos:


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


Exercício

Dimensionar a rede ramificada da figura abaixo


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.


Métodos do Seccionamento é indicado:

redes de distribuição de cidades pequenas

Método de cálculo verificação de linhas secundárias de redes maiores


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 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)



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


Métodos






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


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


Métodos






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


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


Método de Hardy-Cross:

Modalidades:

• Por compensação das perdas de carga (menos empregado)

• Por compensação das vazões


Método de Hardy-Cross (compensação das vazões ):



• ∑ 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)]



• 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=


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

redes de distribuicao de agua

Documents