DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E ARQUITECTURA. Mestrado em Eng. do Ambiente PROJECTO DE SANEAMENTO

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1 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E ARQUITECTURA Mestrado em Eng. do Ambiente PROJECTO DE SANEAMENTO José Saldanha Matos (Responsável) Ana Fonseca Galvão Castelo Branco Lisboa, Setembro de 2010

2 SANEAMENTO Objectivos da Disciplina: Competências de conceber e dimensionar infra-estruturas de abastecimento de água e de drenagem de águas residuais, em zonas urbanas, nomeadamente: Sistemas de adução e reserva de abastecimento de água; Sistemas de distribuição de água; Sistemas de drenagem de águas residuais. Competências no domínio dos conceitos: de drenagem pluvial em meio urbano; de órgãos especiais em sistemas de drenagem. Projecto de Saneamento [A1.1]

3 SANEAMENTO Programa da Disciplina: 1 - Âmbito e objectivos do saneamento ambiental: conceitos fundamentais 2 - Sistemas de abastecimento de água: perspectiva histórica e conceitos fundamentais Obras de captação e adução; Instalações elevatórias; Reservatórios; Redes de distribuição de água. 3 - Sistemas de águas residuais: perspectiva histórica e actual Origem, quantificação e natureza das águas residuais; Concepção e dimensionamento de redes gerais de drenagem de águas residuais; Órgãos das redes gerais de drenagem; Instalações elevatórias. 4 - Introdução à drenagem pluvial em meio urbano Projecto de Saneamento [A1.2]

4 SANEAMENTO Metodologia de Avaliação: Exame final no fim do semestre (40%); (Nota mínima 8,5) Avaliação dos 2 projectos desenvolvidos ao longo das aulas práticas, com discussão (60%). Projecto 1: Estudo de um Sistema Adutor (6 semanas; 35%); Projecto 2: Projecto Base de uma rede de abastecimento e de uma rede de drenagem (8 semanas ; 65%). Projecto de Saneamento [A1.3]

5 SANEAMENTO Planeamento das Aulas: Planeamento das Aulas: 14 semanas de aulas; 1 Aulas Teórica/semana de 2h; 1 Aula Prática/semana de 3h; Grupos de (3 ou) 4 alunos. Projecto de Saneamento [A1.4]

6 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DE SANEAMENTO Ciclo Urbano da Água Impacto nos aquíferos Projecto de Saneamento [A1.5]

7 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DE SANEAMENTO Evolução histórica do abastecimento de água e do saneamento Projecto de Saneamento [A1.6]

8 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DE SANEAMENTO Ciclo Urbano da Água - Constituição dos Sistemas Projecto de Saneamento [A1.7]

9 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Constituição dos Sistemas Componentes Órgãos Objectivo / função Captação Obras de captação Captar água bruta nas origens (superficiais e subterrâneas), de acordo com as disponibilidades e as necessidades. Tratamento Estações de tratamento de água (ETA) Produzir a água potável a partir de água bruta, obedecendo às normas de qualidade (Decreto-Lei 243/01, de 1 de Agosto - Anexo VI). Elevação Estações elevatórias e sobrepressoras Bombar água (bruta ou tratada) entre um ponto de cota mais baixa e um ou mais pontos de cota mais elevada. Transporte ou adução Adutores, aquedutos e canais Conjunto de obras destinadas a transportar a água desde a origem à distribuição. O transporte pode ser: em pressão (por gravidade e por bombagem); com superfície livre (aquedutos e canais). Projecto de Saneamento [A1.8]

10 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Constituição dos Sistemas Componentes Órgãos Objectivo / função Armazenamento Reservatórios Servir de volante de regularização, compensando as flutuações de consumo face à adução. Constituir reservas de emergência (combate a incêndios ou em casos de interrupção voluntária ou acidental do sistema de montante). Equilibrar as pressões na rede de distribuição. Regularizar o funcionamento das bombagens. Distribuição Rede geral pública de distribuição de água Conjunto de tubagens e elementos acessórios, como sejam juntas, válvulas de seccionamento e de descarga, redutores de pressão, ventosas, bocas de rega e lavagem, hidrantes e instrumentação (medição de caudal, por exemplo), destinado a transportar água para distribuição. Ligação domiciliária Ramais de ligação Asseguram o abastecimento predial de água, desde a rede pública até ao limite da propriedade a servir, em boas condições de caudal e pressão. Distribuição interior Redes interiores dos edifícios Conjunto de tubagens e elementos acessórios para distribuição de água no interior dos edifícios. Projecto de Saneamento [A1.9]

11 SISTEMAS DE DRENAGEM E DESTINO FINAL Constituição dos Sistemas Componentes Órgãos Objectivo / função Rede interior de drenagem Rede de drenagem interior dos edifícios Conjunto de tubagens e elementos acessórios para recolha de águas residuais do interior dos edifícios. Ligação domiciliária Ramais de esgoto Asseguram a recolha das águas residuais, desde o limite da propriedade a servir e a rede pública. Sistema de Drenagem Rede geral pública de drenagem de águas residuais Conjunto de tubagens e elementos acessórios, como caixas de visita destinado a recolher as águas residuais para os interceptores e emissários. Transporte para ETAR e destino Final Tratamento de Águas Residuais Interceptores e Emissários Estação de tratamento de águas Residuais (ETAR) Conjunto de tubagens e elementos acessórios, como caixas de visita, destinado a transportar as águas residuais para as ETAR ou para destino final. Tratar a água residual de forma a produzir um efluente compatível com a respectiva reutilização ou com a capacidade de assimilação do meio receptor. Projecto de Saneamento [A1.10]

12 SANEAMENTO Aula 2 - Sumário AULA 2 Bases quantitativas de Projectos de abastecimento e saneamento. Captações de águas subterrâneas. Captações de águas superficiais. Estações de Tratamento (ETA). Estações Elevatórias. Reservatórios. Redes de distribuição. Redes interiores. Projecto de Saneamento [A2.1]

13 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Bases Quantitativas de Projectos de Abastecimento e Saneamento Objectivo: Avaliação, o mais correcta possível, das quantidades de água para as quais se deve projectar as componentes dos sistemas. Principais elementos: A) Horizonte de Projecto; B) População de Projecto; C) Caudais de Projecto; D) Área de Projecto; E) Hidrologia de Projecto. Projecto de Saneamento [A2.2]

14 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Bases Quantitativas de Projectos / Horizonte de Projecto Definição: Número de anos durante os quais o sistema ou as estruturas e os equipamentos que o compõem têm que servir em boas condições. Factores: Vida útil das obras de construção civil e equipamento; Facilidade ou dificuldade de ampliação; Previsão da Evolução da População; Taxa de juro durante o período de amortização do Investimento; Funcionamento da Instalação nos primeiros anos de exploração; Capacidade financeira da entidade gestora; Disponibilidade em recursos hídricos. Projecto de Saneamento [A2.3]

15 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Bases Quantitativas de Projectos / Vida Útil e Horizonte de Projecto Tipo de obra Duração provável (anos) Horizonte de Projecto (anos) Furos e poços 50 a a 30 Tomadas de água 40 a a 40 Projecto de Saneamento [A2.4]

16 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Bases Quantitativas de Projectos / Vida Útil e Horizonte de Projecto Tipo de obra Duração provável (anos) Horizonte de Projecto (anos) Grandes adutoras 60 a a 50 Reservatórios e torres de pressão 80 a a 40 Projecto de Saneamento [A2.5]

17 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Bases Quantitativas de Projectos / Vida Útil e Horizonte de Projecto Tipo de obra Duração provável (anos) Horizonte de Projecto (anos) Estações elevatórias (construção civil) 40 a a 40 Grupos electobomba e equipamento electromecânico 25 a a 25 Projecto de Saneamento [A2.6]

18 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Bases Quantitativas de Projectos / Vida Útil e Horizonte de Projecto Tipo de obra Duração provável (anos) Horizonte de Projecto (anos) Instalações de tratamento (construção civil) 40 a a 40 Instalações de tratamento (equipamento) 20 a a 25 Projecto de Saneamento [A2.7]

19 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Bases Quantitativas de Projectos / Vida Útil e Horizonte de Projecto Tipo de obra Duração provável (anos) Horizonte de Projecto (anos) Redes de distribuição de água 30 a 40 Máxima expansão urbana Redes de drenagem de águas residuais 30 a 40 Máxima expansão urbana Projecto de Saneamento [A2.8]

20 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Bases Quantitativas de Projectos / População de Projecto Definição: População a servir no horizonte de projecto. Factores: Métodos de extrapolação ou de regressão; a. Linear P 20 = P 0 + K a ( t 20 -t 0 ) b. Geométrica P 20 = P 0 (1+K g ) (t 20 -t0) Comparação; Extrapolação Visual; Taxa de crescimento crescente; Taxa de crescimento decrescente; Curva logística; Análise parcelar; Previsão de emprego; Planos Directores. Elementos de base: Censos e o recenseamento eleitoral. Problemas: Migrações. Projecto de Saneamento [A2.9]

21 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Bases Quantitativas de Projectos / Caudais de Projecto Componentes dos consumos: População a servir no horizonte de projecto. Componentes de consumo: População permanente; População residente; População temporária ou flutuante; Entidades públicas; Actividades comerciais; Componentes de consumo: Indústria; Actividades agrícolas e pecuárias; Combate a incêndios; Emergências; Perdas. Capitação: Relação entre o consumo anual total pelo número de habitantes e pelo número de dias do ano [L/(hab.dia)]. A capitação é uma característica média de consumo; Difícil a atribuição de um valor em Projecto. Projecto de Saneamento [A2.10]

22 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Bases Quantitativas de Projectos / Caudais de Projecto Factores que influenciam a capitação: 1. População Consumos mínimos fixados pelo Regulamento Geral dos Sistemas Públicos e Prediais de Distribuição de Água e de Drenagem de Águas Residuais (RGAAR): 80 L/(hab.dia) 100 L/(hab.dia) 125 L/(hab.dia) 150 L/(hab.dia) 175 L/(hab.dia) até 1000 hab. de 1000 hab. até hab. de hab. até hab. de hab. até hab. acima de hab. 2. Condições climáticas 3. Hábito de higiene individual 4. Existência ou não de redes interiores 5. Tipo de drenagem de águas residuais 6. Estado de conservação do sistema 7. Estrutura tarifária 8. Inclusão ou não de pequenas actividades comerciais, públicas (5 a 20 L/(hab. dia)) ou industriais. 9. Perdas (valor mínimo (RGAAR) 10% do caudal total) Projecto de Saneamento [A2.11]

23 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Bases Quantitativas de Projectos / Caudais de Projecto Tipo de estabelecimento Adegas Escolas Escritórios Estações de serviço Garagens Lacticínios Lavandarias Matadouro (animais de grande porte) Matadouro (animais de médio porte) Padarias Pensões (sem cozinha, nem lavandaria) Restaurantes Bovinos Caprinos Ovinos Equídios Galinhas Perus Suínos Bovinos (vacas leiteiras) Tipo de animal Consumos 5 L /litro de produto 50 L /(aluno.dia) 50 L /(trabalhador.dia) 150 L /(veículo.dia) 50 L /(veículo.dia) 4-12 L/(kg de produto) 30 L/(kg de roupa) 300 L/(cabeça) 150 L/(cabeça) 0,6 L/(kg de farinha) 120 L/(hóspede.dia) 25 L/refeição Capitação 40 (L/animal/dia) 8 (L/animal/dia) 8 (L/animal/dia) 40 (L/animal/dia) 0,4 (L/animal/dia) 0,75 (L/animal/dia) 10 (L/animal/dia) 75 (L/animal/dia) Projecto de Saneamento [A2.12]

24 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Bases Quantitativas de Projectos / Caudais de Projecto Caudal médio anual: Produto da população pela capitação: Caudais de ponta: Q m = Capitação x População [L 3 /T -1 ] Definem as características extremas de consumos; Determinam-se multiplicando o caudal médio pelo correspondente factor de ponta: Usualmente definem-se: Q p = f p x Q m [L 3 /T -1 ] Caudal de ponta mensal (caudal médio do mês de maior consumo); Caudal de ponta diário (caudal médio do dia de maior consumo); Caudal de ponta horário (caudal médio da hora de maior consumo). Projecto de Saneamento [A2.13]

25 CAPTAÇÕES DE ÁGUA Captação de Águas Subterrâneas Nascente Poço Radial Projecto de Saneamento [A2.14]

26 CAPTAÇÕES DE ÁGUA Captação de Águas Subterrâneas Problemas nas zonas costeiras: intrusão salina Projecto de Saneamento [A2.15]

27 CAPTAÇÕES DE ÁGUA Captação de Águas Superficiais Tomada de água em rio ou albufeira (corte longitudinal) Tomada de água e estação elevatória (planta) Projecto de Saneamento [A2.16]

28 CAPTAÇÕES DE ÁGUA Captação de Águas Superficiais Bombas centrífugas de eixo vertical em tomada de água directa Tomadas de água móveis Tomada de água flutuante Projecto de Saneamento [A2.17]

29 CAPTAÇÕES DE ÁGUA Captação de Águas Superficiais Captação em albufeira Captação directa no paramento de montante duma barragem de terra Projecto de Saneamento [A2.18]

30 CAPTAÇÕES DE ÁGUA Captação de Águas Superficiais Torre de tomada de água em albufeira Projecto de Saneamento [A2.19]

31 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Tratamento Oficinas Edifício de exploração Mistura rápida Edifício dos reagentes Floculadores Saturadores de cal Espessadores Filtros Armazenamento de cloro e CO 2 Desidratação de lamas Projecto de Saneamento [A2.20]

32 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Elevação (Estações Elevatórias) Grupos electrobomba Projecto de Saneamento [A2.21]

33 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Armazenamento Câmara de manobras de reservatório com duas células Projecto de Saneamento [A2.22]

34 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Distribuição Rede de distribuição de água em planta Projecto de Saneamento [A2.23]

35 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Distribuição interior Rede interior de um edifício sistema tipo de alimentação de água fria Projecto de Saneamento [A2.24]

36 SANEAMENTO Aula 3 - Sumário AULA 3 Traçado de sistemas adutores. Dimensionamento hidráulico de sistemas adutores. Dimensionamento das condutas à pressão. Características e materiais das tubagens. Projecto de Saneamento [A3.1]

37 SISTEMAS DE ADUÇÃO DE ÁGUA Escoamentos com Superfície Livre Aspectos de traçado: Problemas topográficos: adaptação do traçado do canal / aqueduto à topografia do terreno. Obstáculos especiais: Travessias de vales pronunciados sifões invertidos Aquedutos Travessias de serras ou montanhas Túneis ou galerias Projecto de Saneamento [A3.2]

38 SISTEMAS DE ADUÇÃO DE ÁGUA Escoamentos em Pressão Aspectos de traçado: O estudo duma adutora pressupõe a análise das condições de traçado, em planta e em perfil longitudinal. Condicionantes: Extensão (o mais curta possível e nos grandes diâmetros com grandes raios de curvatura); Pressões de serviço nos troços; Facilidade de construção, reparação e vigilância; Transposição de obstáculos topográficos (linhas de água, vales e linhas de cumeada); Profundidade mínima de assentamento das tubagens (1 m); Inclinações mínimas nos trechos ascendentes (3 ) e descendentes (5 ); 0.5% ar 0.3% 0.5% 0.3% 0.5% ar ar ar Projecto de Saneamento [A3.3]

39 SISTEMAS DE ADUÇÃO Perfil longitudinal duma adutora, em pressão, por gravidade Fonte: Water Supply and Waste-Water Disposal Fair et al. Projecto de Saneamento [A3.4]

40 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Adução / Dimensionamento Hidráulico de Adutoras Duração do transporte: Transporte por bombagem: A não ser em casos especiais, 16 h diárias como período máximo diário de adução (NP 837); A fiabilidade dos sistemas mecânicos permite 20 h/dia, com segurança razoável. Transporte gravítico: Período máximo diário de adução de 24 h/dia. Projecto de Saneamento [A3.5]

41 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Adução / Dimensionamento Hidráulico de Adutoras Caudais de dimensionamento: Dimensionamento para o dia de maior consumo: Q dim = K t xk p x f D xq m Dimensionamento para o mês de maior consumo: Q dim = K t xk p x f M.Q m em que: K t factor de duração de transporte = (24 h/nº de horas de transporte); K p factor de perdas na adução (1,05 a 1,10); f M ; f D factor de ponta mensal ou factor de ponta diário; Q m caudal médio anual. Projecto de Saneamento [A3.6]

42 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Adução / Dimensionamento Hidráulico de Adutoras Limitações à velocidade do escoamento: Razões para a limitação da velocidade máxima: Sobrepressões provocadas pelo regime variável; Perdas de carga excessivas e anti-económicas. Razões para a limitação da velocidade mínima: Qualidade da água nas condutas; Auto-limpeza e deposição de sólidos. Custo de Energia ( ) Velocidade do escoamento: Troços em pressão por bombagem Troços em pressão por gravidade 0,6 m/s V 1,5 m/s 0,3 m/s V 1,5 m/s Projecto de Saneamento [A3.7]

43 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Adução / Dimensionamento Hidráulico de Adutoras Escolha dos diâmetros tecnicamente viáveis: Qdim (m3/s) => Q = V.S => Intervalo de Diâmetros Vmax, Vmin (m/s) => S = pi.d 2 /4 => D (m) = (4 Q / pi.v) 0.5 Gravítico (Qdim 40) Elevatório (Qdim 20) (Qdim 40) Dmin Dmax Dmin Dmax D 1 D 2 D 3 D 1 D 2 D i = diâmetros comerciais cujo diâmetro interior está no intervalo Projecto de Saneamento [A3.8]

44 DIMENSIONAMENTO DE CONDUTAS ADUTORAS Escolha do diâmetro No sistema puramente gravítico (sem elevação) A Escolha dos diâmetros tecnicamente viáveis é função da energia disponível -Cálculo de J máx = Δz / L - Por fórmula de perda de carga (Fórmula de Colebrook-White), cálculo de Dmín Dmin Dmin Gravítico (Qdim 40) Dmax Linha de energia dinâmica (LED) L 1 D>Dmin Jmax Dmin Δz D 1 D 2 D 3 D<Dmin Diâmetro mais económico é o diâmetro mínimo (ou a combinação de diâmetros) que está dentro do intervalo Dmin e Dmax (verifica os dois critérios) e que permite transportar a água para a cota desejada. Projecto de Saneamento [A3.9]

45 DIMENSIONAMENTO DE CONDUTAS ADUTORAS Escolha do diâmetro económico Em sistemas elevatórios ou num sistema misto (em vale) Conceito de diâmetro económico Qdim 20 Qdim 40 Custo Total Custo Exploração (Energia) Dmin Dmax D 1 D 2 Custo Condutas Para determinar o Diâmetro mais económico é necessário contabilizar, para além dos custos da instalação da tubagem, os custos com a energia. Assim, retém-se todos os diâmetros tecnicamente viáveis (D 1 e D 2 ) e contabiliza-se os encargos energéticos das diferentes soluções viáveis. D ec DN Projecto de Saneamento [A3.10]

46 DIMENSIONAMENTO DE CONDUTAS ADUTORAS Cálculo das Linhas de Energia Fórmula de Colebrook- White mais rigorosa +/-15% de erro Mais adequada para sistemas adutores (normalmente sistemas longos e com muitas perdas de carga contínuas) J n+ 1 = U 8g 2 D log 2 10 k 3,7D + D 2,51ν 2g D J n ν (água20ºc) =10-6 m 2 s -1 k PE,PVC = 0,003-0,02 mm D n+ 1 2 / 5 2Q 2 / 5 log10 = π 2gJ k 3,7D n + D n 2,51ν 2g D n J k FFD,aço =0,01-0,1mm Quintela (1981), p.140 Fórmula de Manning Strickler Adequada para redes de distribuição e sistemas com superficie livre (redes de drenagem ou canais/rios) Q = K S S R 2 / 3 J 1/ 2 K s PE,PVC = m 1/3 s -1 K s PE,PVC = m 1/3 s -1 Quintela (1981), p.153 Projecto de Saneamento [A3.11]

47 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Adução / Dimensionamento Hidráulico de Adutoras Determinação das pressões de serviço das tubagens: Condutas adutoras gravíticas: Condutas adutoras por bombagem: Altura piezométrica estática Altura piezométrica dinâmica Projecto de Saneamento [A3.12]

48 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Tubagens / Policloreto de Vinilo (PVC) Duronil \ Tubagens Características: Tubagem em PVC (policloreto de vinilo) rígida de parede compacta fabricada por extrusão. As tubagens de Duronil são apresentadas nas classes de pressão: PN6 kgf/cm 2 (0,6 MPa); PN10 kgf/cm 2 (1,0 MPa); PN16 kgf/cm 2 (1,6 MPa). Diâmetros exteriores (mm): 63; 75; 90;110; 125; 140; 160; 200; 250; 315; 400; 500; 630 Projecto de Saneamento [A3.13]

49 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Tubagens / Polietileno de Alta Densidade (PEAD) PEAD \ Tubagens Características: A tubagem em PEAD de parede compacta é fabricada por extrusão. As tubagens de PEAD são apresentadas nas classes de pressão de: PN4 kgf/cm 2 (0,4 MPa) a PN16 kgf/cm 2 (1,6 MPa) Diâmetros exteriores (mm): 63; 75; 90;110; 125; 140; 160; 200; 250; 315; 400; 500; 630 Projecto de Saneamento [A3.14]

50 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Tubagens / Poliester Reforçado com Fibra de Vidro (PRFV) PRFV \ Tubagens Características: Diâmetros interiores (mm): As tubagens de PRFV são fabricadas através de um processo de centrifugação automático. A tubagem é formada por diversas camadas, variando as quantidades de matérias primas usadas em cada uma. No fabrico da tubagem entram quatro componentes: Resina de poliester: actua como ligante e é formada por uma resina de poliester não saturada e não dissolvente; Filler (cabornato de sódio): mistura-se com a resina para melhorar a carga estrutural; Areia de sílica: como carga estrutural para melhorar as suas propriedades mecânicas; Fibra de vidro: como reforço da resina de poliester utilizam-se fibras de vidro de alta qualidade. As tubagens de PRFV são apresentadas nas classes de pressão de 0,2 MPa a 2,5 MPa 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450; 500; 600; 700; 800; 900; 1000; 1100; ; 2400 Projecto de Saneamento [A3.15]

51 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Tubagens / Ferro Fundido Dúctil (FFD) FFD \ Tubagens Características: As tubagens de ferro fundido dúctil (FF) caracterizam-se por serem tubagens de grande longevidade. Podem ter vários revestimentos interiores. As tubagens de FF são apresentadas nas classes de pressão de: 3,2 MPa a 4,0 MPa Diâmetros interiores (mm): 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450; 500; 600; 700; 800; 900; 1000; FERRO FUNDIDO DÚCTIL Projecto de Saneamento [A3.16]

52 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Tubagens / Aço Aço \ Tubagens Características: As tubagens de aço podem ser dimensionadas com várias espessuras e são normalmente utilizadas para trechos com elevadas pressões e em trechos em que a tubagem não esteja enterrada. Podem ter vários revestimentos interiores. As tubagens de aço são apresentadas nas classes de pressão de: 3,2 MPa a 4,0 MPa Diâmetros interiores (mm): 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450; 500; 600; 700; 800; 900; 1000; Projecto de Saneamento [A3.17]

53 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Tubagens / Outros Tipos Outros tipos \ Tubagens Fibrocimento É um material em desuso, mas do qual existem extensões significativas nas redes mais antigas. Classes de pressão: CL6, CL12; CL18; CL24; CL30 Betão armado (pré-esforçado ou com alma de aço) É um material competitivo nos grandes diâmetros com o ferro fundido dúctil. Outras tubagens plásticas: Polipropileno Resiste a altas pressões (20 kgf/cm 2 ) e permite o escoamento e fluidos a altas temperaturas. Projecto de Saneamento [A3.18]

54 SANEAMENTO Aula 4 - Sumário AULA 4 Regime variável. Dispositivos de Perda de carga. Exemplos de alternativas em sistemas adutores. Projecto de Saneamento [A4.1]

55 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Adução / Dimensionamento Hidráulico de Adutoras Sobrepressões provocadas pelo regime variável: Redução instantâneas de velocidade. com ΔH ( V V a ) 0 1 = g a = ( m s ) D 48,3 + k e a celeridade (m/s) V i velocidade do escoamento (m/s) k constante, que depende do tipo de material da tubagem (aço = 0,50; ferro fundido = 1,0; betão = 5,0; plástico = 18) e espessura da conduta (m) D diâmetro da conduta (m) Projecto de Saneamento [A4.2]

56 SOBREPRESSÕES E SUBPRESSÕES PROVOCADA POR PARAGEM DE GRUPOS ELEVATÓRIOS Tempo de anulação do caudal Fórmula de Rosich (1970) T = C + K LU g.. 0. H t com C K parâmetro que depende do declive da conduta elevatória: H t /L 20% => C = 1s H t /L > 40% => C = 0s coeficiente adimensional, dependente do comprimento: L(m) <500 ~ <L<1500 ~1500 >1500 L U 0 H t K(-) 2 1,75 1,5 1,25 1,0 comprimento da conduta velocidade do escoamento altura de elevação Projecto de Saneamento [A4.3]

57 SOBREPRESSÕES E SUBPRESSÕES PROVOCADA POR PARAGEM DE GRUPOS ELEVATÓRIOS Subpressão máxima (Michaud): 2L < a au. ΔH = g T 0 T > L a 2LU. ΔH = g. T 2 0 Normalmente, é necessário proceder à protecção da conduta através de acessórios de protecção contra os efeitos do golpe de aríete. Volante de inércia Válvula de escape Reservatório de ar comprimido (RAC) Projecto de Saneamento [A4.4]

58 SOBREPRESSÕES E SUBPRESSÕES PROVOCADA POR PARAGEM DE GRUPOS ELEVATÓRIOS Exemplo: H t= 50 m Fecho instantâneo: au x1,4 ΔH = = = 85m g 9,8 Corte de corrente no grupo electrobomba: L = 1000 m V = 1,4 m/s PEAD Tempo de anulação do caudal Subpressão máxima T = C + K. LU. 1,5 x1000x1,4 0 = 1+ g. H 9,8x50 = 2L 2x1000 T > = = 3, 3s a 600 t Logo 5,3s. LU. ΔH = 2 0 = 54m gt Projecto de Saneamento [A4.5]

59 DISPOSITIVOS DE PERDA DE CARGA Projecto 1: Estudo Prévio de um Sistema Adutor FUNÇÃO: Órgãos destinados a reduzir a cota piezométrica. TIPOS: Câmaras de Perda de Carga (CPC) Válvulas Redutoras de Pressão (VRP) LEE LED LEE LED CPC VRP Projecto de Saneamento [A4.6]

60 DISPOSITIVOS DE PERDA DE CARGA Projecto 1: Estudo Prévio de um Sistema Adutor FACTORES QUE CONDICIONAM A INSTALAÇÃO: pressões bastantes elevadas devido ao grande desnível topográfico entre o ponto de origem e o ponto de destino da conduta adutora; pressões exageradas em certos troços da conduta adutora. LEE LEE LED LED CPC VRP Projecto de Saneamento [A4.7]

61 Dispositivos de Perda de Carga Câmaras de perda de carga FORMA DE FUNCIONAMENTO: um reservatório intermédio, em que uma parte da energia hidráulica do escoamento é dissipada, à entrada, através de uma válvula (perda de carga localizada; a nova cota de partida para o jusante é a cota do terreno. LEE LED CPC Projecto de Saneamento [A4.8]

62 Dispositivos de Perda de Carga Válvulas Redutoras de Pressão (VRP) FORMA DE FUNCIONAMENTO: destinam-se a manter uma dada pressão, a jusante, que seja menor do que a de montante, quando esta exceda determinado valor; Vantagem (em relação às CPC) de não perder a energia toda a jusante. LEE LED Tipos de válvulas de mola, pistão e diafragma VRP Projecto de Saneamento [A4.9]

63 Projecto 1: Estudo Prévio de um Sistema Adutor Soluções Alternativas Sistema puramente gravítico Cenário Base Diâmetro mínimo Dmenor LEE LED Cenário Alternativo 1, 2, 3, 4 CPC CPC Combinação de Diâmetros D1 LEE CPC CPC D2 CPC LED CPC CPC Projecto de Saneamento [A4.10]

64 Projecto 1: Estudo Prévio de um Sistema Adutor Soluções Alternativas Sistema elevatório Cenário Base Alterar o diâmetro ou Cenário Alternativo 1 ou 2 EE (2 ou 3 EE) D1 LEE D2 LEE D1 D1 EE Estação Elevatória EE D1 EE Projecto de Saneamento [A4.11]

65 Projecto 1: Estudo Prévio de um Sistema Adutor Soluções Alternativas Sistema misto Cenário Base Cenário Alternativo Diâmetro menor (D1) Diâmetro maior (D2) que o do Cenário Base D2 >D1 D1 (e.g. Dec40) Projecto de Saneamento [A4.12]

66 SANEAMENTO Aula 5 - Sumário AULA 5 Estudo económico de Sistemas Adutores. Valor Actual Líquido (VAL). Diâmetro económico de sistemas elevatórios.(slides 80 a 95). Projecto de Saneamento [A5.1]

67 ESTUDO ECONÓMICO DE SISTEMAS DE ADUÇÃO E RESERVA Custos de Instalação: Tubagem Levantamento e reposição de pavimentos; Movimento de terras; Fornecimento, instalação e montagem (incl. acessórios). Estações elevatórias Construção civil; Equipamento electromecânico. Órgãos acessórios Dispositivos redutores de pressão (CPC ou VRP); Ventosas; Descargas de fundo; Válvulas de seccionamento. Reservatórios Custos de exploração e manutenção: Energia; Encargos com pessoal; Manutenção. Projecto de Saneamento [A5.2]

68 ESTUDO ECONÓMICO DE SISTEMAS DE ADUÇÃO Sistemas adutores gravíticos ticos: L. J ( D ) + L J ( D ) L 1 + L 2 = 2 2 L total = H L ( D ) + L J ( D ) 11. J L 11 + L 12 = 12 L 1 12 = H 1 L J ( D ) + L J ( D ) L 21 + L 22 = 22 L 2 22 = H 2 Projecto de Saneamento [A5.3]

69 ESTUDO ECONÓMICO DE SISTEMAS DE ADUÇÃO Sistemas adutores com condutas elevatórias rias: Determinação do diâmetro económico Projecto de Saneamento [A5.4]

70 ESTUDO ECONÓMICO DE SOLUÇÕES Análise a preços constantes Os preços unitários são constantes ao longo da vida do projecto (não há inflação, t i =0); Os custos em cada ano só podem ser somados quando actualizados a um ano de referência (ano 0) através da taxa de actualização ou juro (t a ); Utilizada para comparar soluções alternativas. C actualizado_ano 0 = C 0 / (1+ta) n 1 / (1+ta) 3 1 / (1+ta) n 1 / (1+ta) HP C 0 C 0 C 0 C 0... C 0... C n... HP Projecto de Saneamento [A5.5]

71 ESTUDO ECONÓMICO DE SOLUÇÕES Análise a preços correntes Os preços unitários aumentam em cada ano com a taxa de inflação (t i ); Os custos em cada ano só podem ser somados quando actualizados a um ano de referência (ano 0) através da taxa de actualização ou juro (t a ); C n = C 0 * (1+ti) n C actualizado_ano 0 = C N / (1+ta) n 1 / (1+ta) 1 / (1+ta) 3 n 1 / (1+ta) HP C 0 C 1 C 2 C 3... C n... C HP n... HP (1+ti) n (1+ta) HP Projecto de Saneamento [A5.6]

72 ESTUDO ECONÓMICO DE SISTEMAS DE ADUÇÃO E RESERVA Custos com energia: Energia consumida no ano i: Custo da energia no ano i: E i γ. V. H η = γ. Vi. H η i t CE i = p = K. V i t Preço unitário da energia K γ. H = t η p Volume elevado no ano i: Vi = Popi. Capi. 365dias Elevam-se volumes diferentes ao longo do período de projecto; Para calcular o total da energia anual não é necessário conhecer o tempo médio de bombagem em cada ano. Projecto de Saneamento [A5.7]

73 ESTUDO ECONÓMICO DE SISTEMAS DE ADUÇÃO E RESERVA Actualização dos encargos com energia: Ano Valor no ano Valor actualizado K.V 1 K.V 2 K.V 3 : : K. V 1 /(1 + t a ) K + 2. V2 /(1 ta ) K + 3. V3 /(1 ta ) N K. V N K. V N /(1 + t a ) N = N i 1 K. V i N K =. V + 1 i /(1 t a ) i i Custo total da energia actualizada Projecto de Saneamento [A5.8]

74 ACTUALIZAÇÃO DOS ENCARGOS COM ENERGIA Hipótese tese: Os volumes elevados anualmente crescem de acordo com uma lei geométrica. Ano Volume elevado no ano Custo da energia actualizado : N V = V0(1 + t 1 g V + ) 2 2 = V0 ( 1 tg ) V = V0 ( 1 tg ) V ) N = V0 (1 + t g : N K. V 0 (1 + t g ) /(1 + t a ) K V0 (1 + t g ) /(1 ta ) K V0 (1 + t g ) /(1 ta ) K. V 0 (1 + + ) N t g ) /(1 ta N K. V o = N i 1 (1 + t g ) i /(1 + t a ) i = Custo total da energia actualizada = K. V o (1 + t ( t a g t ) 1+ t 1 ) 1+ t g g a N Projecto de Saneamento [A5.9]

75 Custo total do sistema de abastecimento de água Análise a Preços constantes Custo total = = Investimento em Capital fixo + Encargos de exploração Investimento em capital fixo Condutas adutoras.. Ano 0 Reservatórios Ano 0 Construção civil EE Ano 0 Equip. electromecânico EE... Anos 0 e 20 CPC Ano 0 Encargos de Exploração Operação e manutenção 1-40 anos Condutas adutoras Reservatórios Construção civil EE Equipamento electromecânico EE Energia (de bombagem) 1-40 anos Projecto de Saneamento [A5.10]

76 Custo total do sistema de abastecimento de água Análise a Preços constantes Investimento em capital fixo Condutas definido por metro linear de conduta (QUADRO A.1 Enunciado) Diâmetro nominal (mm) FFD Aço revestido PVC PEAD PN6 PN10 PN16 PN6 PN10 PN Reservatórios definidos por m 3 C =1 400.Vol 0,75 Projecto de Saneamento [A5.11]

77 Custo total do sistema de abastecimento de água Análise a Preços constantes Investimento em capital fixo Estações elevatórias Definidos em função do caudal de dimensionamento e altura de elevação Construção civil Ccc( ) = x Q x Q x H Equipamento Ceq ( ) = 1317 x Q x H x (QxH) Sendo Q caudal (l/s) e H altura de elevação (m) O custo da construção civil adquirida no ano 0 é calculado com Qdim40 e Hdim40 O custo do equipamento adquirido no ano 0 é calculado com Qdim20 e Hdim20 adquirido no ano 20 é calculado com Qdim40 e Hdim40 e deverá ser actualizado ao ano 0 multiplicando o valor por 1 / (1+ ta) 20 Câmaras de perda de carga Custo unitário = Projecto de Saneamento [A5.12]

78 Custo total do sistema de abastecimento de água Análise a Preços constantes Encargos de Exploração Operação e manutenção Definidos em percentagem do Investimento por ano Condutas adutoras com ligações por juntas 1% Inv /ano Condutas adutoras com ligações por soldadura % Inv /ano Reservatórios e CPC. 1% Inv /ano Construção civil EE.. 1% Inv /ano Equip. electromecânico EE % Inv /ano Têm de ser calculados ano a ano ao longo de 40 anos (anos 1 a 40) e actualizados ao ano 0: Custo actualizado_ano_0 = Custo ano_n * 1 / (1+ ta) n sendo ta = taxa de actualização (e.g. 6%) Projecto de Saneamento [A5.13]

79 Custo total do sistema de abastecimento de água Análise a Preços constantes Encargos de Exploração (continuação) Energia (1º Processo de cálculo) Deverá ser calculado ano a ano, ao longo de 40 anos (anos 1 a 40), e actualizado ao ano 0 Energia anual consumida no ano i - Sousa (2001) Adução, p.32 E ano_i = Potência * Tempo_Func _ano_i = ( γ * Q dim * H dim / μ ) * Tempo_Func _ano_i = ( γ * H dim / μ ) * (Q dim *Tempo_Func _ano_i ) Constante: do ano 1 ao 20 (H dim20 ) do ano 21 ao 40 (H dim40 ) = ( γ * H dim / μ ) V mda_ano_i Variável do ano i = Pop ano i * Cap ano i Custo da energia anual consumida no ano i CE ano_i ( ) = E ano_i (kwh) * preço_unitário ( /kwh) Custo da energia anual consumida no ano i actualizada ao ano 0 CE actualizado _ ano_0 ( ) = CE ano_i ( ) * 1/(1+ta) i Nota: Atenção à conversão de unidades: 1 joule = W.s Projecto de Saneamento [A5.14]

80 Custo total do sistema de abastecimento de água Análise a Preços constantes Encargos de Exploração (continuação) Energia (2º Processo de cálculo) Poderá ser calculada como a soma de n termos de uma progressão geométrica: S n = U 1 * ( 1-R n ) / (1-R) U 1 corresponde ao 1º termo R corresponde à razão do da progressão geométrica Corresponderá a duas somas 1-20 anos e de anos Por exemplo de 1-20 anos temos CE (1 a 20) act _ ano0 γ. H = η dim20. pv. o (1 + t ( t a t g1 ) g1 ) 1+ t 1 1+ t g1 a 20 Sendo t g1 = taxa geométrica de crescimento do volume consumido de 1-20 anos dada por: t g1 = (V 20 /V 0 ) (1/20) -1 na expressão homóloga para o período de 21 a 40 esta taxa será dada por: t g2 = (V 40 /V 20 ) (1/20) -1 Projecto de Saneamento [A5.15]

81 Custo total do sistema de abastecimento de água Análise a Preços constantes Encargos de Exploração (continuação) Custo Total Actualizado dum Sistema Elevatório para um dado diâmetro D1: C _ Sist. Elev. D1 act _ ano0 = C tubagem + EE cc _ ano40 + EE eq _ ano20 + EE (1 + eq _ ano40 20 ta ) + CE (1a 20) act _ ano0 CE + (21a 40) act _ ano20 20 (1 + ta ) em que: CE (1 a 20) act _ ano0 γ. H = η dim20. pv. o (1 + t ( t a t g1 g1 ) 1+ t 1 ) 1+ t g1 a termos (ano 1 a ano 20) actualizados ao ano imediatamente anterior ao início da série (ano 0) CE (21 a 40) act _ ano20 γ. H = η dim40. pv. 20 (1 + t ( t a t g 2 g 2 ) 1+ t 1 ) 1+ t g 2 a termos (ano 21 a ano 40) actualizados ao ano imediatamente anterior ao início da série (ano 20) O mesmo cálculo terá que ser efectuado para o D2 (se existir). O diâmetro mais económico é o que apresentar o C_Sist.Elev. act_ano0 menor Projecto de Saneamento [A5.16]