DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITECTURA E GEORRECURSOS (DECivil)

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1 2ª DATA DO ANO LECTIVO 2011/ /06/ h 30m DURAÇÃO TOTAL: 2h 00m QUESTÕES TEÓRICAS (45 min) PORTUGUÊS 1. Admita que no projecto de uma conduta adutora gravítica, estão escolhidos um traçado e um diâmetro, mas verifica-se que a linha piezométrica intersecta a conduta num ponto alto. Indique o procedimento mais adequado para a resolução do problema. (1,5 val.) 2. Indique quais as inclinações mínimas em condutas adutoras, respectivamente em troços ascendentes e descendentes. Indique os motivos da sua fixação. (1,5 val.) 3. Qual a função das válvulas de retenção num circuito hidráulico de uma estação elevatória de um sistema de abastecimento de água. Faça uma representação esquemática do circuito hidráulico, indicando o posicionamento destas válvulas relativamente aos grupos electrobomba, às válvulas de seccionamento e à instrumentação. (1,5 val.) 4. Diga o número de equações de conservação da energia que é necessário escrever para formular as condições de equilíbrio hidráulico, em regime permanente, através das equações das malhas, de uma rede de distribuição de água, constituída por 8 malhas naturais elementares e alimentada por 3 reservatórios elevados. (1,5 val.) 5. Quais os valores mínimos e máximos, estipulados no Decreto Regulamentar nº 23/95, de 23 de Agosto, para a pressão numa rede de distribuição de água. Indique as razões que levam à sua fixação. (1,5 val.) 6. Indique quais as componentes que constituem uma câmara de visita em sistemas de drenagem de águas residuais, descrevendo o que significa cada uma delas. (1,5 val.) 7. Diga onde devem ser colocadas caixas de visita em sistemas de drenagem de águas residuais e pluviais. (1,5 val.) 8. Indique a expressão do método racional para o cálculo dos caudais de dimensionamento em sistemas de drenagem de águas pluviais. Indique o significado de cada uma das variáveis. (1,5 val.) 1

2 THEORETICAL QUESTIONS (45 min) ENGLISH 1. Assume that in designing a gravity transmission main, a layout and a diameter are chosen, but it turns out that the hydraulic grade line intersects the pipe on a high point. Indicate the most appropriate procedure for solving the problem. (1.5 val). 2. Indicate the minimum slopes for transmission mains in ascending and descending sections. Indicate the reasons for its establishment. (1.5 val). 3. What is the function of check valves in water pumping station hydraulic circuits? Draw a schematic layout of the hydraulic circuit, indicating the positioning of these valves in relation to the pumps, valves and instrumentation. (1.5 val). 4. What is the number of energy conservation equations to establish the hydraulic steady state conditions of a water distribution network, using the loop equations formulation, consisting of 8 elementary loops and 3 water tanks? (1.5 val). 5. What are the minimum and maximum pressure values in a water distribution network prescribed in Decree Law 23/95 of August 23 th? Indicate the reasons for their regulation. (1.5 val). 6. Indicate which components included in sewerage systems manholes, describing what each one means. (1.5 val). 7. Say where manholes must be located in wastewater and storm water drainage systems. (1.5 val). 8. Give the formula for the rational method used in calculating design flows for storm water drainage systems. Indicates the meaning of each variable. (1.5 val). 2

3 Problema I (4,0 valores) 150,00 00,00 80,00 B 50,00 C População Captação EE A Considere o sistema adutor [ABC] representado na figura, que capta água numa albufeira (localizada em A) e abastece uma população (localizada em C) por bombagem através da estação elevatória EE. Considere que o tempo máximo de funcionamento da estação elevatória (EE) é de 20 horas, que a conduta adutora é dimensionada por forma a minimizar o volume do reservatório localizado em C e com um factor de perdas de 5%. A população a abastecer tem os seguintes dados de base: Ano L AB =4000 m Capitação (l/hab/dia) L BC =6000 m População em C (hab) Considere que o material adoptado para as condutas é o polietileno de alta densidade (PEAD) com K S =100 m 1/3 s -1 e a seguinte gama de diâmetros nominais (DN): 63, 75, 90, 110, 125, 140, 160, 200, 250, 315, 400 e 500 mm. Admita que estes diâmetros correspondem aos diâmetros interiores e que não variam com a classe de pressão. (1,5) a) Calcule os caudais de dimensionamento e o diâmetro da conduta adutora por forma a minimizar os encargos de energia. (1,5) b) Calcule a altura de elevação e faça uma distribuição qualitativa mas cuidadosa de materiais e classes de pressão na conduta adutora, tendo em conta que: o custo das condutas de PEAD aumenta com a classe de pressão, que existem três classes distintas de PEAD - PN6, PN10 e PN16 e que, só se utiliza o ferro fundido dúctil, para pressões acima de 1,6 MPa. (Se não resolveu a alínea anterior considere um diâmetro de 250 mm). (1,0) d) Faça um desenho esquemático com a localização de todos os órgãos e acessórios necessários. 3

4 Problema II (4,0 valores) Ct = 15,40 m 2 Ct = 12,00 m 1 Ct = 11,00 Considere os colectores de águas residuais domésticas representados na figura, constituídos por PVC (Ks=100 m 1/3 s -1 ). As cotas do terreno (Ct) nas caixas e as populações afluentes a cada troço encontram-se indicadas na mesma figura. Admitindo que: 300 hab 2500 hab 4 Ct = 16,00 m mm a distância entre caixas de visita é a máxima regulamentar; a profundidade mínima de assentamento da geratriz interior superior do colector é 1.40 m; a gama de diâmetros nominais do PVC: 140, 160, 200, 250, 315, 400 e 500 mm (admita que estes diâmetros correspondem a diâmetros interiores); a população é constante ao longo do horizonte de projecto; a capitação de água residual é constante e igual a 170 l/hab/dia; o caudal de infiltração é igual ao caudal médio; o factor de ponta é dado por: 60 f ph = 1,5 + ; Pop o colector do arruamento lateral aflui à caixa 2 com a soleira à profundidade de 2,0 m. (1,0) a) Calcule o caudal de dimensionamento do trecho 2-1. (3,0) b) Dimensione os trechos 4-3, 3-2 e 2-1 em termos de diâmetro e inclinação, por forma a respeitar as disposições regulamentares e minimizar o movimento de terras e faça um esquema detalhado do respectivo perfil longitudinal, indicando cotas de soleira, profundidade à soleira, declives e diâmetros. 4

5 Problem I (4,0) 150,00 00,00 80,00 B 50,00 C População Captação EE A L AB =4000 m L BC =6000 m Consider the pipeline system [ABC] represented in the figure, that catches water from a reservoir (located in A) and supplies a population (located in C) through the pumping station EE. Assume the maximum operating time of the pump station (EE) is 20 hours, the water main conduit is sized to minimize the reservoir volume located at C and a loss factor of 5% is used. The population has to supply the following data: Year Capitation (l/hab/day) Population in C (hab) Assume that the material chosen for the pipes is high density polyethylene (HDPE) with K S =100 m 1/3 s -1, the following range of nominal diameter is used (DN): 63, 75, 90, 110, 125, 140, 160, 200, 250, 315, 400 e 500 mm. Assume that these diameters correspond to internal diameters and that do not change with the pressure class. (1,5) a) Calculate the design flow rates and diameter pipeline in order to minimize the energy costs. (1,5) b) Calculate the pump elevation head and make a qualitative but careful distribution of materials and pressure classes in the pipeline, given that: the cost of HDPE pipes increases with the pressure class, there are three distinct classes of HDPE - PN6, PN10 and PN16 - and ductile cast iron is only when used for pressures above 1.6 MPa. (If the previous question were not solved considers a diameter of 250 mm). (1,0) d) Make a schematic drawing showing the locations of all accessories needed. 5

6 Problem II (4,0) Ct = 15,40 m 2 Ct = 12,00 m 1 Ct = 11,00 Consider the domestic wastewater sewers represented in the figure, made of PVC (Ks=100 m 1/3 s - 1 ). The ground level (Ct) in the boxes and affluent populations for each section are listed in the same figure. Assume that: 300 hab 2500 hab 4 Ct = 16,00 m mm the distance between manholes is the regulatory maximum; the minimum depth of seating inside upper generatrix of the sewer is 1.40 m; the range of nominal diameters of PVC: 140, 160, 200, 250, 315, 400 and 500 mm; (accept that these diameters corresponding to inside diameters); the population is constant over the horizon of the project design; the per capita waste water is constant and equal to 170 l / person / day; the rate of infiltration is equal to the average flow; the peak factor is given by; the peak factor is given by: 60 f ph = 1,5 + ; Pop the lateral sewer side flows arrive to the manhole 2 with 2.0 m threshold depth. (1,0) a) Calculate the flow design of the sewer 2-1. (3,0) b) Design the sewers 4-3, 3-2 e 2-1 in terms of diameter and slope in order to comply with regulations and minimize the earthmoving and make a detailed outline of its longitudinal profile, indicating threshold level, threshold depth, slopes and diameters. 6

7 FORMULÁRIO E ELEMENTOS DE APOIO À RESOLUÇÃO DOS PROBLEMAS Fórmula de Manning-Strickler Q = K s S R 2 3 i 1 2 θ = senθ + 6,063 Q n+ 1 n K i 0,6 D 1,6 0,4 θ n 7

8 EXTRACTO DO DECRETO REGULAMENTAR Nº 23/95, DE 23 DE AGOSTO REGULAMENTO GERAL DOS SISTEMAS PÚBLICOS E PREDIAIS DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA E DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS Artigo 133º Dimensionamento hidráulico-sanitário 1. No dimensionamento hidráulico-sanitário devem ser adoptados as seguintes regras: a) A velocidade máxima de escoamento para o caudal de ponta no horizonte de projecto não deve exceder 3 m/s nos colectores domésticos e 5 m/s nos colectores unitários e separativos pluviais; b) A velocidade de escoamento para o caudal de ponta no início de exploração não deve ser inferior a 0,6 m/s para colectores domésticos e a 0,9 m/s para colectores unitários e separativos pluviais; c) Sendo inviáveis os limites referidos na alínea b), como sucede nos colectores de cabeceira, devem estabelecer-se declives que assegurem estes valores limites para o caudal de secção cheia; d) Nos colectores unitários e separativos pluviais, a altura da lâmina líquida para a velocidade máxima referida na alínea a) deve ser igual à altura total; e) Nos colectores domésticos, a altura da lâmina líquida não deve exceder 0,5 da altura total para diâmetros iguais ou inferiores a 500 mm e 0,75 para diâmetros superiores a este valor; f) A inclinação dos colectores não deve ser, em geral, inferior a 0,3% nem superior a 15%; g) Admitem-se inclinações inferiores a 0,3% desde que seja garantido o rigor do nivelamento, a estabilidade do assentamento e o poder de transporte; h) Quando houver necessidade de inclinações superiores a 15%, devem prever-se dispositivos especiais de ancoragem dos colectores. 8

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