Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental PHA Saneamento

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1 Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental PHA Saneamento Renato Carlos Zambon Ronan Cleber Contrera Theo Syrto Octavio de Souza

2 C urso de água ADUTORAS EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA Estação elevatória C aptação Adutora de água bruta por recalque ETA Adutora para o reservatório da zona baixa por gravidade Adutora R eservatório elevado Estação elevatória R eservatório R ede da zona baixa R ede da zona alta Adutora para o reservatório da zona alta por recalque 2

3 CLASSIFICAÇÃO DAS ADUTORAS Quanto à natureza da água transportada Adutoras de água bruta Adutoras de água tratada Quanto à energia para a movimentação da água Adutora por gravidade (conduto livre ou forçado) Adutora por recalque Adutoras mistas 3

4 ADUTORAS POR GRAVIDADE Conduto Forçado 4

5 ADUTORAS POR GRAVIDADE Conduto Livre 5

6 ADUTORAS POR GRAVIDADE Trechos em Conduto Livre e Forçado 6

7 ADUTORAS POR RECALQUE Recalque Simples 7

8 ADUTORAS POR RECALQUE Recalque Duplo 8

9 ADUTORAS MISTAS Trechos por Recalque e por Gravidade 9

10 VAZÃO DE ADUÇÃO (PROJETO) C urso de água Qa C aptação Estação de Tratam ento Qa Qb Qc Estação elevatória R ede K P q Q Q C a esp1 ETA Q b K 1 P q Q esp1 Q c K K P q Q esp2 Esqueçam as fórmulas!!! O importante é o que deve ser considerado em cada caso... 10

11 PERÍODO DE FUNCIONAMENTO DA ADUÇÃO As vazões indicadas correspondem a adução 24 h/dia; Deverão ser maiores se o período for reduzido, por exemplo entre h/dia em uma linha por recalque; Pode haver economia com operação fora de horário de ponta do sistema elétrico (início da noite). 11

12 HIDRÁULICA PARA ADUTORAS Equação da energia entre duas seções transversais de um escoamento (Bernoulli): 2 2 p V p V H z H DH z DH g 2g g 2g z: carga de posição, cota (m) p/g: carga de pressão (m) V²/2g: carga cinética (m) DH: perda de carga (m) Linha piezométrica Linha de carga ou energia 12

13 HIDRÁULICA PARA ADUTORAS Escoamento em conduto livre Escoamento em conduto forçado 13

14 HIDRÁULICA PARA ADUTORAS Equação da continuidade: Q V S V S constante Q: vazão (m³/s) V: velocidade média na seção (m/s) S: área da seção de escoamento (m²) Obs: em canais pode ser necessário acrescentar as perdas por evaporação... 14

15 ESCOAMENTO EM CONDUTOS LIVRES Equação de Manning Q: vazão (m³/s) n: coeficiente de Manning S: seção molhada (m²) R H : raio hidráulico (m) I: declividade da linha de energia (m/m) 1 2 / 3 Q S R I H n S e R H dependem da geometria da seção e da profundidade resultante R H = Seção molhada Perímetro molhado 15

16 Canal da Integração / Eixão das Águas (Ceará, 255 km, 22 m³/s) 16

17 California Aqueduct (State Water Project) Dos Amigos Pumping Plant (36 m x 437 m³/s, 715 km) 17

18 ESCOAMENTO EM CONDUTOS FORÇADOS Fórmula de Hazen-Williams Normalmente utilizada para pré-dimensionamentos 2,63 0,54 Q 0,2785 C D j Q: vazão (m³/s) C: coeficiente de Hazen-Williams D: diâmetro interno da tubulação (m) *D 100 mm+ j: perda de carga unitária (m/m) 18

19 Coeficiente de Hazen-Williams 19

20 ESCOAMENTO EM CONDUTOS FORÇADOS Fórmula Universal DH: perda de carga distribuída (m) f: fator de atrito L: comprimento da tubulação (m) V: velocidade média (m/s) D: diâmetro da tubulação (m) k: rugosidade (m) g: aceleração da gravidade (9,81 m/s²) n: viscosidade cinemática (10-6 m²/s) R: número de Reynolds Q: vazão (m³/s) V R 4 Q D 2 V D n 2 LV DH f D 2 g 20

21 ESCOAMENTO EM CONDUTOS FORÇADOS Fórmula Universal Escoamento laminar (R<2500): Escoamento turbulento (R>4000, Colebrook-White): f Crítico (transição): pode ser adotada interpolação linear 64 1 k 2,51 2 log f 3,71 D R f R 21

22 ESCOAMENTO EM CONDUTOS FORÇADOS Fórmula Universal Cálculo iterativo de f no escoamento turbulento, adota-se por exemplo f 0 =0,020, com poucas iterações o resultado converge: 1 k 2,51 2 log f i 3,71 D R fi 1 Ou pode ser adotada a equação alternativa (Souza, 1986): 1 k 5,62 2 log 0,9 f 3,71 D R 22

23 Perda de Carga (Fórmula Universal) V 4 Q V D ; R 2 D n Q,D,k,g,n f : escoam ento lam inar: 64 R 2500 f R escoam ento turbulento: 1 k 5, 62 R log 0,9 f 3,71 D R transição (interpolação linear): 2500 R k 5, 62 f 1 ; 2 lo g 2500 f 2 3,71 D 4000 R 2500 f f 1 f 2 f ,9 V,R,f,DH 2 LV DH f D 2 g 23

24 ESCOAMENTO EM CONDUTOS FORÇADOS Perdas Localizadas 2 V DH K C 2 g 24

25 TRAÇADO DA ADUTORA O traçado da adutora deve levar em consideração: Presença de vias e terrenos públicos, áreas de proteção ambiental; Planta e perfil do terreno (topografia); Tipo de solo, rochas, várzeas, etc.; Interferências e travessias (rodovias, ferrovias, rios, etc.); Material da tubulação, ventosas, descargas, blocos de ancoragem, proteção contra corrosão; São favoráveis traçados que apresentem trechos ascendentes longos com pequena declividade (>0,2%), seguido de trechos descendentes curtos, com maior declividade (>0,3%); Quando a inclinação do conduto for superior a 25%, há necessidade de se utilizar blocos de ancoragem para estabilidade do conduto (varia com o material e tipo de junta...); A linha piezométrica da adutora em regime permanente deve situar-se, em quaisquer condições de operação, sempre acima da geratriz superior do conduto. 25

26 TRAÇADO DA ADUTORA 26

27 PLANTA E PERFIL DE UMA ADUTORA 27

28 DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS por Gravidade em Conduto Forçado z1 L.P. estática (Q=0) R1 L.P. dinâmica DH z2 Q,L,DH D ventosa R2 Fórmula universal ou Hazen-Williams (DH = DZ) descarga Obs1: as L.P. acima são efetivas, descontada p atm /g Obs2: quando a velocidade é baixa, a L.P. se confunde com a L.C. 28

29 DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS por Gravidade em Conduto Livre z1 L.P. acompanha o nível d água DH/L=I R1 z2 Q,L,DH seção do canal pela equação de Manning R2 Considerar remanso se houver variações 29

30 DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS Velocidades máximas em condutos forçados: 3,0 a 6,0 m/s 30

31 DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS por Recalque DH Hg L.P. dinâmica L.P. estática (Q=0) z2 R EE Q,L,Hg,DH=?,D=? 31

32 DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS por Recalque O diâmetro é hidraulicamente indeterminado... Depende de aspectos econômico-financeiros: 32

33 DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS por Recalque Pré-dimensionamento pela fórmula de Bresse : D K Q ; K = 0,9 a 1,2 E o comprimento? Desnível? DH R DH Hg EE R X Hg Material? EE 33

34 DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS por Recalque Recomendações para o estudo do diâmetro econômico da adutora: Pré-dimensionamento do diâmetro (dentro da faixa usual de velocidades ou perda de carga) e avaliação de alternativas considerando a vazão de projeto, o comprimento da adutora, o desnível geométrico, o material da tubulação Análise econômica através do critério do valor presente Consideração de todos os custos não comuns: tubulação, montagem, escavação e reaterro, equipamentos, energia elétrica As obras e custos comuns não necessitam ser considerados 34

35 MATERIAIS DAS ADUTORAS Aspectos que devem ser considerados na escolha: Não ser prejudicial à qualidade da água Alteração da rugosidade com o tempo (incrustação, etc.) Estanqueidade Resistência química e mecânica Resistência a pressão da água (estática, dinâmica, transitórios) Economia (não só custo da tubulação, mas instalação, aspectos construtivos, necessidade de proteção a corrosão, manutenção, etc.) 35

36 PRINCIPAIS MATERIAIS DAS TUBULAÇÕES Materiais metálicos: Aço Ferro Fundido Dúctil Materiais não metálicos: Polietileno de Alta Densidade e Polipropileno (PE e PP) PVC Poliéster Reforçado com Fibra de Vidro (PRFV) 36

37 Vantagens Alta resistência às pressões internas e externas Estanqueidade (com junta soldada) Vários diâmetros e tipos de juntas Competitivo principalmente em maiores diâmetros e pressões TUBULAÇÃO DE AÇO Desvantagens Pouca resistência à corrosão externa Precauções para transporte e armazenamento Cuidados com a dilatação térmica Dimensionamento das paredes dos tubos quanto ao colapso 37

38 TUBULAÇÃO DE AÇO Revestimentos externos FBE (Fusion Bonded Epoxy) Polietileno tripla camada Poliuretano tar Primer epoxy com alumínio fenólico Revestimento interno Coaltar epoxy 38

39 TUBULAÇÃO DE AÇO Tipos de juntas junta soldada Junta soldada junta elástica Junta elástica junta flangeada (1) Junta soldada nas extremidades (2) Junta soldada nas extremidades com anel (3) Junta com solda dupla nas extremidades (4) Junta com solda tipo copo (5) Junta com solda nas duas extremidades 39

40 TUBULAÇÃO DE FERRO FUNDIDO DÚCTIL Diâmetros: 16 opções de 50 a 1200 mm Comprimento: 6 a 8 m Classes: K-9, K-7 e 1 MPa Revestimento interno com argamassa de cimento Revestimento externo com zinco e pintura betuminosa Tipos de juntas: Elástica Elástica travada Mecânica Flanges 40

41 TUBULAÇÃO DE FERRO FUNDIDO DÚCTIL Detalhes das juntas de tubulações de ferro fundido dúctil Junta elástica Junta elástica travada Junta mecânica Junta de flange 41

42 Diâmetros: 30 opções de 16 a 1600 mm Comprimento: limitado pelo transporte, até centenas de metros sem juntas (emissários submarinos) Classes: 8 opções de 32 a 250 mca Sem revestimento interno ou externo Leve e flexível Estanqueidade Resistência química Resistência a abrasão Menor rugosidade Baixa celeridade (transitórios) TUBULAÇÃO DE POLIETILENO Principais juntas em adutoras: Solda termoplástica (topo) Flanges 42

43 Bombeamento de 4 m³/s, transferência Rio Grande - Taiaçupeba (RMSP) (2 tubulações em paralelo PE ø 1200 mm) 43

44 OPERAÇÃO DAS ADUTORAS Condições operacionais: Condição normal: condição prevista no projeto como manobra de válvulas, enchimento e esvaziamento da adutora, partida e parada do bombeamento, etc. Regime permanente Transiente Condição emergencial: falha operacional de dispositivos Condição catastrófica: acidente operacional com riscos a vida e/ou danos excepcionais como o a ruptura em um ponto baixo 44

45 ENCHIMENTO DE ADUTORAS Condição para enchimento: expulsão plena de ar, com gradativa e lenta admissão de água Velocidade média para enchimento: 0,3 m/s Válvulas para expulsão de ar: ventosas 45

46 ENTRADA DE AR EM ADUTORAS... Nível muito baixo na entrada Descarga superior com introdução de ar Formação de vórtice 46

47 BLOQUEIO DE ADUTORAS Consiste na paralisação do escoamento, ocasionada pela existência de ar confinado nos pontos altos da adutora Bloqueio da adutora por gravidade Bloqueio da adutora por recalque 47

48 VENTOSAS EM ADUTORAS ventosa de tríplice função: ventosa simples expelir o ar deslocado pela água durante o enchimento da linha; admitir quantidade suficiente de ar, durante o esvaziamento da linha; expelir o ar proveniente das bombas em operação e difuso na água (funcionando como uma ventosa simples). 48

49 DESCARGA EM ADUTORAS Descarga da adutora em galerias, valas e córregos 49

50 DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO DAS ADUTORAS Blocos de ancoragens Proteção contra corrosão Proteção contra os transitórios hidráulicos 50

51 BLOCOS DE ANCORAGEM Dimensionamento dos blocos - Dados necessários Resultante das forças (direção e intensidade) Tensão máxima admissível na parede lateral da vala Coesão do solo Ângulo de atrito interno do solo Tensão máxima admissível pelo solo na vertical Peso específico do solo Especificações do concreto a ser utilizado Atrito concreto-solo Critérios de cálculo Por atrito entre o bloco e o solo (peso do bloco); Por reação de apoio da parede da vala (engastamento). Forças envolvidas para o dimensionamento de um bloco de ancoragem R = força resultante; P = peso do bloco; W = peso do aterro; B = apoio sobre a parede da vala; f = atrito sobre o solo; M = momento de tombamento. 51

52 BLOCOS DE ANCORAGEM 52

53 ANCORAGEM DE ADUTORAS EM DECLIVE Assentamento de tubulação aérea: ancoragem tubo por tubo Assentamento de tubulação enterrada com ancoragem por trecho travado 53

54 PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO No caso de tubulações metálicas: Proteção catódica: injeção de corrente contínua na estrutura a ser protegida elevando seu potencial em relação ao meio Proteção catódica galvânica Proteção catódica por corrente impressa 54

55 LIMPEZA DE ADUTORAS Sedimentação Incrustação Deposição de minerais insolúveis em tubo de FD com revestimento. AAT 250 mm, ~ 15 anos, C HW ~ 95. Incrustação em tubo de FD sem revestimento. AAB, 250 mm, ~ 25 anos, C HW ~

56 LIMPEZA DAS ADUTORAS Variação do coeficiente de Hazen-Williams devido a limpezas por raspagem 56

57 LIMPEZA DAS ADUTORAS Entrada e saída do polly-pig em uma adutora Introdução do polly-pig através de hidrante, sem registro Introdução de polly-pig através de uma peça especial Introdução do polly-pig através de uma peça em Y 57

58 LIMPEZA DAS ADUTORAS Polly-Pig 58

59 APLICAÇÃO DO REVESTIMENTO DE ARGAMASSA DE CIMENTO Outros revestimentos: epóxi; poliuretano, etc. 59

60 MEDIDORES EM CONDUTOS FORÇADOS Medidores de vazão e de pressão Venturi Orifício 60

61 MEDIDORES EM CONDUTOS FORÇADOS Medidores de vazão Eletromagnéticos Ultrassônicos Modo diagonal Modo reflexivo 61

62 MEDIDORES EM CONDUTOS LIVRES Vertedores Calhas: Parshall, Palmer-Bowlus, etc. Medidor acústico (ADCP) etc. Calha Parshall ETA1 Bebedouro (SAAEB) 62

63 INTERVENÇÃO EM ADUTORAS EM CARGA Derivação pelo processo de furação em carga da adutora do SAM Leste da RMSP 63

64 TRAVESSIAS ENTERRADAS EM CURSOS D ÁGUA Necessitam de outorga Não devem interferir no corpo hídrico (gerar obstáculo no fundo) Utilizar preferencialmente tubos de maior resistência mecânica Envelopamento dos tubos com concreto magro (de baixa resistência) 64

65 TRAVESSIAS AÉREAS EM CURSOS D ÁGUA Necessitam de outorga Estudo Hidrológico Não devem interferir no corpo hídrico (construir acima da cota de cheia, com folga) Diversos tipos de estruturas Podem ser feitas junto a obras de arte existentes (aproveitando uma lateral por ex.) desde que autorizadas 65

66 EXEMPLOS DE TRAVESSIAS AÉREAS 66

67 Exercício logo depois do intervalo! 67

68 Lição de casa: ler páginas 155 a

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