DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E ARQUITECTURA SANEAMENTO

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1 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E ARQUITECTURA SANEAMENTO Castelo Branco Docentes: José Saldanha Matos Eduardo Ribeiro de Sousa António Jorge Monteiro Filipa Ferreira Ana Fonseca Galvão Lisboa, Fevereiro de 2009

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; Redes de drenagem de águas residuais. Competências no domínio dos conceitos: de esquemas de tratamento (água para abastecimento e águas residuais); de parâmetros básicos de caracterização da qualidade da água. de gestão e tratamento de resíduos sólidos urbanos. Saneamento [2]

3 SANEAMENTO Programa da Disciplina: 1 - Âmbito e objectivos do saneamento ambiental: conceitos fundamentais; 2 - Sistemas de abastecimento de água: uma perspectiva histórica e conceitos fundamentais; Obras de captação e adução; Instalações elevatórias; Reservatórios; Redes gerais de distribuição de água; 3 - Sistemas de águas residuais: uma 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 - Conceitos básicos de qualidade da água, de tratamento de água para abastecimento público e de tratamento de águas residuais; 5 - Introdução aos sistemas de resíduos sólidos urbanos (recolha, transporte, tratamento e destino final). Saneamento [3]

4 SANEAMENTO Metodologia de Avaliação: Exame final no fim do semestre (50%); (Nota mínima 9,0) Avaliação dos 2 projectos desenvolvidos ao longo das aulas práticas (50%). Projecto 1: Estudo Prévio de um Sistema Adutor (8 semanas); Projecto 2: Projecto Base de uma rede de abastecimento e de uma rede de drenagem (6 semanas). Saneamento [4]

5 SANEAMENTO Planeamento das Aulas: Planeamento das Aulas: 14 semanas de aulas; 2 Aulas Teóricas/semana de 1h30m; 1 Aula Prática/semana de 1h30m; Grupos de (3 ou) 4 alunos; máximo de 7 grupos por turma prática. Uma das aulas teóricas semanais é dirigida à realização do trabalho prático. Podem ser esclarecidas dúvidas do trabalho de interesse geral de toda a turma; A aula prática não tem apresentação geral. São esclarecidas dúvidas sobre o trabalho que está a ser realizado, normalmente de forma individual a cada grupo (12 min/grupo); Existem Feriados que afectam as aulas práticas que necessitam de ser compensadas. Saneamento [5]

6 SANEAMENTO Projecto 1: Estudo Prévio de um Sistema Adutor Aula Prática da Semana 1: Preparação Prévia: Constituição do Grupo (inscrição no FENIX); Impressão do enunciado; Objectivos da Semana 1: receber a Carta Militar 1/25000 da área de projecto; Receber os dados de base para o cálculo dos caudais de projecto dos aglomerados a servir (População Ai e Aj); Localização na carta militar da Captação e dos aglomerados a servir; Saneamento [6]

7 SANEAMENTO Projecto 1: Estudo Prévio de um Sistema Adutor Localização na carta militar da Captação e dos aglomerados a servir Traçado em planta e perfil das condutas Carta militar 1: ; Abastecimento de duas povoações; Comprimento total entre km; Desnível topográfico mínimo 150 m; Traçado por vias de comunicação; em linha em derivação Saneamento [7]

8 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DE SANEAMENTO Ciclo Urbano da Água Impacto nos aquíferos Saneamento [8]

9 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DE SANEAMENTO Evolução histórica do abastecimento de água e do saneamento Saneamento [9]

10 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DE SANEAMENTO Ciclo Urbano da Água - Constituição dos Sistemas Saneamento [10]

11 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Constituição dos Sistemas Captação Componentes Órgãos Obras de captação Objectivo / função 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). Saneamento [11]

12 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Constituição dos Sistemas Componentes Armazenamento Distribuição Órgãos Reservatórios Rede geral pública de distribuição de água Objectivo / função 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. 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 Distribuição interior Ramais de ligação Redes interiores dos edifícios Asseguram o abastecimento predial de água, desde a rede pública até ao limite da propriedade a servir, em boas condições de caudal e pressão. Conjunto de tubagens e elementos acessórios para distribuição de água no interior dos edifícios. Saneamento [12]

13 SISTEMAS DE DRENAGEM E DESTINO FINAL Constituição dos Sistemas Componentes Rede interior de drenagem Ligação domiciliária Órgãos Rede de drenagem interior dos edifícios Ramais de esgoto Objectivo / função Conjunto de tubagens e elementos acessórios para recolha de águas residuais do interior dos edifícios. Asseguram a recolha das águas residuais, desde o limite da propriedade a servir e a rede pública. Rede interior de drenagem Sistema de Drenagem Rede de drenagem interior dos edifícios Rede geral pública de drenagem de águas residuais Conjunto de tubagens e elementos acessórios para recolha de águas residuais do interior dos edifícios. 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. Saneamento [13]

14 SANEAMENTO Aula 2 - Sumário AULA 2 Bases Quantitativas de Projectos de Abastecimento e Saneamento Saneamento [14]

15 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. Saneamento [15]

16 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. Saneamento [16]

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) Furos e poços 50 a a 30 Tomadas de água 40 a a 40 Saneamento [17]

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) Grandes adutoras 60 a a 50 Reservatórios e torres de pressão 80 a a 40 Saneamento [18]

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) Estações elevatórias (construção civil) 40 a a 40 Grupos electobomba e equipamento electromecânico 25 a a 25 Saneamento [19]

20 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 Saneamento [20]

21 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 Saneamento [21]

22 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; Taxa de crescimento decrescente; a. Linear P 20 = P 0 + K a ( t 20 - t 0 ) Curva logística; (t20 b. Geométrica P 20 = P 0 (1+K g ) - t0) Comparação; Extrapolação Visual; Análise parcelar; Previsão de emprego; Taxa de crescimento decrescente; Planos Directores. Elementos de base: Censos e o recenseamento eleitoral. Problemas: Migrações. Saneamento [22]

23 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: Componentes de consumo: População permanente; Indústria; População residente; Actividades agrícolas e pecuárias; População temporária ou flutuante; Combate a incêndios; Entidades públicas; Emergências; Actividades comerciais; 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. Saneamento [23]

24 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) Saneamento [24]

25 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) Saneamento [25]

26 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: Q p = f p x Q m [L 3 /T -1 ] Usualmente definem-se: 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). Saneamento [26]

27 SANEAMENTO Projecto 1: Estudo Prévio de um Sistema Adutor (Semana 2) Apresentação do Enunciado do Trabalho: Saneamento [27]

28 SANEAMENTO Projecto 1: Estudo Prévio de um Sistema Adutor (semana 2) Aula Prática da Semana 2: Preparação Prévia: Constituição do Grupo (inscrição no FENIX); Receber a Carta Militar 1/25000 da área de projecto; Receber os dados de base para o cálculo dos caudais de projecto dos aglomerados a servir (População Ai e Aj); Localização na carta militar da Captação e dos aglomerados a servir; Objectivos da Semana 2: Determinar a População de Projecto; (Lei geométrica de evolução da população) (t20 b. Geométrica P 20 = P 0 (1+K g ) - t0) Determinar para os aglomerados os caudais médios, do mês de maior consumo e do dia de maior consumo com as capitações do enunciado; Desenhar o perfil longitudinal dos traçados das condutas entre as captações e os aglomerados. Saneamento [28]

29 SANEAMENTO Projecto 1: Estudo Prévio de um Sistema Adutor (semana 2) Escolha de Traçados entre a captação e os aglomerados: Escolher o traçado mais curto entre a captação e os aglomerados com o traçado por vias de comunicação (estradas e carreteiros); Não adoptar traçados a corta-mato ou caminhos de pé-posto; escolher preferencialmente soluções com trechos gravíticos; no caso de serem necessárias condutas elevatórias fazer com que a respectiva extensão seja a menor possível. em linha em derivação Saneamento [29]

30 SANEAMENTO Aula 3 - Sumário AULA 3 Constituição dos sistemas de abastecimento e de distribuição de água. Saneamento [30]

31 CAPTAÇÕES DE ÁGUA Captação de Águas Subterrâneas Nascente Poço Radial Saneamento [31]

32 CAPTAÇÕES DE ÁGUA Captação de Águas Subterrâneas Problemas nas zonas costeiras: intrusão salina Saneamento [32]

33 CAPTAÇÕES DE ÁGUA Captação de Águas Superficiais Tomada de água em rio ou albufeira (corte longitudinal) Tomada de água e estação elevatória (planta) Saneamento [33]

34 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 Saneamento [34]

35 CAPTAÇÕES DE ÁGUA Captação de Águas Superficiais Captação em albufeira Captação directa no paramento de montante duma barragem de terra Saneamento [35]

36 CAPTAÇÕES DE ÁGUA Captação de Águas Superficiais Torre de tomada de água em albufeira Saneamento [36]

37 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 Saneamento [37]

38 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Elevação (Estações Elevatórias) Grupos electrobomba Saneamento [38]

39 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Transporte ou Adução / Escoamentos em Pressão Adução por bombagem com um troço pouco inclinado Adução mista: por gravidade e por bombagem Saneamento [39]

40 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Armazenamento Câmara de manobras de reservatório com duas células Saneamento [40]

41 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Distribuição Rede de distribuição de água em planta Saneamento [41]

42 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Distribuição interior Rede interior de um edifício sistema tipo de alimentação de água fria Saneamento [42]

43 SANEAMENTO Aula 4 - Sumário AULA 4 Traçado de sistemas de adução de água; Dimensionamento hidráulico de sistemas adutores. Saneamento [43]

44 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 Saneamento [44]

45 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% 0.3% 0.5% 0.5% 0.3% ar ar ar ar Saneamento [45]

46 SISTEMAS DE ADUÇÃO Perfil longitudinal duma adutora, em pressão, por gravidade Fonte: Water Supply and Waste-Water Disposal Fair et al. Saneamento [46]

47 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. Saneamento [47]

48 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 x K p x f D x Q m Dimensionamento para o mês de maior consumo: Q dim = K t x K 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. Saneamento [48]

49 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 0,6 m/s V 1,5 m/s Troços em pressão por gravidade 0,3 m/s V 1,5 m/s Saneamento [49]

50 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 Saneamento [50]

51 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 = z / 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 z 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. Saneamento [51]

52 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 Saneamento [52]

53 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 3,7 D + D 2,51ν 2g D J n ν (água20ºc) = 10-6 m 2 s -1 k PEAD,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 = 0,01-0,1 mm 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 PEAD; PVC = m 1/3 s - 1 K s FFD; Aço; Betão = m 1/3 s -1 Quintela (1981), p.153 Saneamento [53]

54 SANEAMENTO Projecto 1: Estudo Prévio de um Sistema Adutor (semana 3) Aula Prática da Semana 3: Preparação Prévia: Caudais médios, do mês de maior consumo e do dia de maior consumo com as capitações do enunciado; Perfil longitudinal dos traçados das condutas entre as captações e os aglomerados. Objectivos da Semana 3: Calcular caudais de dimensionamento dos trechos adutores; Determinar os diâmetros tecnicamente viáveis; Traçar linhas de energia dinâmica para determinar necessidades de Estações Elevatórias. Saneamento [54]

55 SANEAMENTO Aula 5 - Sumário AULA 5 Determinação das pressões de serviço. Características e materiais das tubagens. Regime variável Saneamento [55]

56 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 PN 6 E-2 PN 10 PN 16 PN 20 E-3 Saneamento [56]

57 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 Saneamento [57]

58 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 Saneamento [58]

59 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Tubagens / Poliester Reforçado com Fibra de Vidro (PRFV) PRFV \ Tubagens Características: 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 Diâmetros interiores (mm): 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450; 500; 600; 700; 800; 900; 1000; 1100; ; 2400 Saneamento [59]

60 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 Saneamento [60]

61 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; Saneamento [61]

62 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. Saneamento [62]

63 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Adução / Dimensionamento Hidráulico de Adutoras Sobrepressões provocadas pelo regime variável: Redução instantâneas de velocidade. com H ( V0 V = a 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) Saneamento [63]

64 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 parâmetro que depende do declive da conduta elevatória: H t /L 20% => C = 1s H t /L > 40% => C = 0s K coeficiente adimensional, dependente do comprimento: L(m) <500 ~ <L<1500 ~1500 >1500 K(-) 2 1,75 1,5 1,25 1,0 L U 0 H t comprimento da conduta velocidade do escoamento altura de elevação Saneamento [64]

65 SOBREPRESSÕES E SUBPRESSÕES PROVOCADA POR PARAGEM DE GRUPOS ELEVATÓRIOS Subpressão máxima (Michaud): 2L a au. H = g 0 T < T > L a 2LU. H = 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) Saneamento [65]

66 SOBREPRESSÕES E SUBPRESSÕES PROVOCADA POR PARAGEM DE GRUPOS ELEVATÓRIOS Exemplo: H t = 50 m Fecho instantâneo: au x1,4 H = = = 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 x1000 x1,4 0 = 1+ g. H 9,8x50 = 2L 2x1000 T > = = 3, 3s a 600 t Logo 5,3s. LU. H = 2 0 = 54m gt Saneamento [66]

67 SANEAMENTO Aula 6 - Sumário AULA 6 Dispositivos de perda de carga. Exemplos de soluções alternativas. Saneamento [67]

68 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 Saneamento [68]

69 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 Saneamento [69]

70 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 Saneamento [70]

71 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 Saneamento [71]

72 Dispositivos de Perda de Carga Válvulas redutoras de pressão(vrp) Modo de funcionamento 1. Estado activo - sempre que a pressão a jusante for demasiado elevada é accionado o dispositivo de obturação da válvula, reduzindo o valor da pressão a jusante até ao HVRP (carga de definição da válvula redutora de pressão), caso contrário abre ; 2. Estado passivo - se a pressão a montante for insuficiente e inferior à carga de definição da VRP, a válvula abre totalmente, mantendo a montante e a jusante a mesma pressão; 3. Válvula fechada se a pressão a jusante for superior à pressão a montante, a válvula fecha totalmente funcionando como uma válvula de retenção (não permite a inversão do escoamento). H m H VRP H m H VRP H j L.E. H m H j H j Q=0 Q Q VRP VRP Estado activo Estado passivo Válvula fechada VRP Saneamento [72]

73 Dispositivos de Perda de Carga Válvulas redutoras de pressão(vrp) Tipos de Funcionamento VRP com carga constante - mantém a pressão constante e igual a um determinado valor; VRP com queda constante - introduz uma perda de carga localizada constante independente da pressão a montante; VRP com carga constante variável no tempo - análoga à VRP com carga constante a jusante, mas variando de intervalo para intervalo; VRP com carga ajustável automaticamente em função da variação dos consumos. H m i H m i+1 H m i+1 H VRP L.E. L.E. L.E. H m i H m i+1 H H H j i H j i+1 L.E. L.E. H m i H m i+1 H j i (t i ) H j i+1 (t i+1 ) L.E. L.E. L.E. H m i H m i+1 H m i+2 H j i (Q i) ) H j i+1 (Q i+1 ) H j i+2 (Q i+2 ) VRP VRP VRP VRP Saneamento [73]

74 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 Saneamento [74]

75 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 Saneamento [75]

76 D1 (e.g. Dec40) 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 Saneamento [76]

77 SANEAMENTO Projecto 1: Estudo Prévio de um Sistema Adutor (semana 4) Peças do Projecto (Estudo Prévio): Peças Escritas: Memória Descritiva e Justificativa; Peças Desenhadas: Planta de localização com os traçados analisados e propostos (1/25000); Desenho em perfil longitudinal com as alternativas em perfil analisadas; Perfil longitudinal da solução proposta (Escala V=1/2500; H= 1/25000). Saneamento [77]

78 SANEAMENTO Projecto 1: Estudo Prévio de um Sistema Adutor (semana 4) Memória Descritiva e Justificativa: Proposta de índice (indicativo): 1.INTRODUÇÃO 2.ELEMENTOS BASE 2.1 Considerações gerais 2.2 Estudo populacional 2.3 Determinação de caudais 3.TRAÇADO DA ADUTORA EM PLANTA 4.DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO DA ADUTORA 4.1 Selecção de diâmetros viáveis 4.2 Soluções alternativas e respectivo dimensionamento em termos de pressão 4.3 Análise económica das soluções estudadas 4.4 Capacidade de reservatórios 4.5 Solução recomendada 5.ACESSÓRIOS 6.RESUMO DO ESTUDO E CONSIDERAÇÕES FINAIS Referências bibliográficas Índice de desenhos Saneamento [78]

79 SANEAMENTO Projecto 1: Estudo Prévio de um Sistema Adutor (semana 4) Aula Prática da Semana 4: Preparação Prévia: Diâmetros tecnicamente viáveis; Perdas de carga e linhas de energia dinâmica nos trechos adutores. Objectivos da Semana 4: Definir esquematicamente soluções alternativas; Início do dimensionamento das alternativas (máximo 4 alternativas); Diâmetro de cada trecho; Dimensionamento dos trechos, em termos de pressão; Alturas de elevação e caudais de cada Estação Elevatória (EE). Saneamento [79]

80 SANEAMENTO Aula 7 - Sumário AULA 7 Estudo económico de sistemas adutores. Saneamento [80]

81 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. Saneamento [81]

82 ESTUDO ECONÓMICO DE SISTEMAS DE ADUÇÃO Sistemas adutores gravíticos ticos: ( D ) + L J ( D ) L1. J L1 + L2 = 2 2 L total = H L ( D ) + L J ( D ) 11. J L 11 + L 12 = 12 L 1 12 = H 1 L ( D ) + L J ( D ) 21. J L 21 + L 22 = 22 L 2 22 = H 2 Saneamento [82]

83 ESTUDO ECONÓMICO DE SISTEMAS DE ADUÇÃO Sistemas adutores com condutas elevatórias rias: Determinação do diâmetro económico Saneamento [83]

84 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 Saneamento [84]

85 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+tj tj) n 1 / (1+tj tj) 1 / (1+tj tj) 3 n 1 / (1+tj tj) HP C 0 C 1 C 2 C 3... C n... C HP n... HP (1+ti) n (1+ta) HP Saneamento [85]

86 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. Saneamento [86]

87 ESTUDO ECONÓMICO DE SISTEMAS DE ADUÇÃO E RESERVA Actualização dos encargos com energia: Ano Valor no ano Valor actualizado 1 K.V 1 K. V 1 /(1 + t a ) 2 K.V 2 K + 2. V2 /(1 ta ) 3 : K.V 3 : 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 Saneamento [87]

88 Hipótese tese: ACTUALIZAÇÃO DOS ENCARGOS COM ENERGIA Os volumes elevados anualmente crescem de acordo com uma lei geométrica. Ano : N Volume elevado no ano V = V0(1 + t 1 g V + ) 2 2 = V0 ( 1 tg ) V = V0 ( 1 tg ) V ) N = V0 (1 + t g : N Custo da energia actualizado 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 Saneamento [88]

89 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 Saneamento [89]

90 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 PN PVC PN PN PN PEAD PN PN Reservatórios definidos por m 3 C =1 400.Vol 0,75 Saneamento [90]

91 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( ) = 2580 x Q 0,250 x H 0,212 Equipamento Ceq ( ) = 1740 x Q 0,504 x H 0,279 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 = Saneamento [91]

92 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 Condutas adutoras com ligações por soldadura.. Reservatórios e CPC. Construção civil EE.. Equip. electromecânico EE.... 1% Inv /ano 0.75% Inv /ano 1% Inv /ano 1% Inv /ano 2.5% 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%) Saneamento [92]

93 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 Saneamento [93]

94 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 a20) 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 Saneamento [94]

95 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 Saneamento [95]