ADUTORAS EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA

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1 ADUTORAS

2 ADUTORAS EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA Curso de água Estação elevatória Captação Adutora de água bruta por recalque ETA Adutora para o reservatório da zona baixa por gravidade Adutora Reservatório elevado Estação elevatória Reservatório Rede da zona baixa Rede da zona alta Adutora para o reservatório da zona alta por recalque

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 Adutora por recalque Adutoras mistas

4 CLASSIFICAÇÃO DAS ADUTORAS Adutoras por gravidade Conduto forçado Conduto livre Conduto livre e forçado

5 CLASSIFICAÇÃO DAS ADUTORAS Adutoras por recalque Recalque simples Recalque duplo

6 CLASSIFICAÇÃO DAS ADUTORAS Adutora mista

7 VAZÃO DE DIMENSIONAMENTO DAS ADUTORAS Fatores intervenientes: Horizonte de projeto Vazão de adução Período de funcionamento da adução

8 HORIZONTE DE PROJETO Fatores a serem considerados: Vida útil da obra Evolução da demanda de água Custo da obra Flexibilidade na ampliação do sistema Custo da energia elétrica

9 VAZÃO DE ADUÇÃO Curso de água Qa Captação Estação de Tratamento Qa Qb Qc Estação elevatória Rede K Pq Q = + Q C a e ETA Q b K1Pq K1K2 Pq = + Qe Qc = + Q e

10 PERÍODO DE FUNCIONAMENTO DA ADUÇÃO Período de funcionamento função do dimensionamento hidráulico Aduções por gravidade: 24 h/dia Adução por recalque: 16 a 20 h/dia Adução por recalque economia de energia elétrica Parada das bombas no período de 3 horas, entre 17:00 e 22:00 h

11 HIDRÁULICA PARA ADUTORAS Equações gerais Equação de energia 2 2 p1 V1 p2 V2 Z1 + + = Z h γ 2g γ 2g Equação de Bernoulli onde: Z = carga de posição, m; p γ 2 V 2g = carga de pressão p (em conduto livre = Y), m; γ = carga cinética, m; h = perda de carga. p Z +, corresponde à linha piezométrica; γ 2 p V Z + +, corresponde à linha de carga; γ 2g 2 p V Z h, corresponde ao plano de carga γ 2g

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

13 HIDRÁULICA PARA ADUTORAS Equações gerais Equação da continuidade Q = V 1 A 1 = V 2 A 2 = VA = constante onde: Q = vazão, m 3 /s V= velocidade média na seção, m/s A = área da seção de escoamento, m 2

14 HIDRÁULICA PARA ADUTORAS Equações para cálculo das perdas de carga Perdas distribuídas Condutos livres Equação de Chézy (1775) V = C R I H Onde: V = velocidade média do escoamento, m/s; R H = raio hidráulico, m; I = declividade da linha de energia, m/m; C = coeficiente de Chézy. Equação de Manning (1890) C = 1/ 6 R H n 1 V 1 V = R I ou = R n I n 2 / 3 1/2 2 / 3 H H nq Q 1 = AR ou = AR I I n 2 / 3 2 / 3 H H

15 HIDRÁULICA PARA ADUTORAS Equações para cálculo das perdas de carga Perdas distribuídas Condutos forçados Fórmula Universal (1850) 2 L V h = f D 2g Onde: h = perda de carga, m f = coeficiente de atrito L = comprimento da tubulação, m V = velocidade média, m/s D = diâmetro da tubulação, m g = aceleração da gravidade, m/s 2 Q = vazão, m 3 /s

16 HIDRÁULICA PARA ADUTORAS Equações para cálculo das perdas de carga Perdas distribuídas Condutos forçados Fórmula de Hazen-Williams (1903) J = 10,65 Q C D 1,85 1,85 4,87 Onde: J = perda de carga unitária, m/m Q = vazão, m 3 /s D = diâmetro, m C = coeficiente de rugosidade 2,63 0,54 Q = 0,279CD J 0,63 0,54 V = 0,355 CD J

17 HIDRÁULICA PARA ADUTORAS Equações para cálculo das perdas de carga Perdas localizadas 2 V hl = K 2g Onde: h L = perda de carga localizada, m K = coeficiente adimensional que depende da singularidade, do número de Reynolds, da rugosidade da parede e, em alguns casos, das condições de escoamento V = velocidade média, m/s g = aceleração da gravidade, m/s 2

18 TRAÇADO ADO DA ADUTORA Traçado das adutoras por gravidade e a posição do plano de carga e da linha piezométrica

19 TRAÇADO ADO DA ADUTORA Adutora por gravidade com tubulação assentada abaixo da linha piezométrica efetiva

20 TRAÇADO ADO DA ADUTORA Adutora por gravidade com tubulação em conduto livre

21 TRAÇADO ADO DA ADUTORA Adutora por gravidade com trecho da tubulação abaixo da linha piezométrica absoluta, porém acima da piezométrica efetiva

22 TRAÇADO ADO DA ADUTORA Adutora por gravidade com trecho da tubulação acima da linha piezométrica efetiva e plano de carga efetivo, porém abaixo da linha piezométrica absoluta

23 RECOMENDAÇÕES PARA O TRAÇADO ADO A adutora deverá ser implantada, de preferência em ruas e terrenos públicos Deve-se evitar traçado onde o terreno é rochoso, pantanoso e de outras características não adequadas A adutora deve ser composta de trechos ascendentes com declividade não inferior a 0,2% e trechos descendentes com declividade não inferior a 0,3%, mesmo em terrenos planos Quando a inclinação do conduto for superior a 25%, há necessidade de se utilizar blocos de ancoragem para dar estabilidade ao conduto Não se devem executar trechos de adução horizontal; no caso do perfil do terreno seja horizontal, o conduto deve apresentar alternadamente, perfis ascendentes e descendentes São recomendados os traçados que apresentam trechos ascendentes longos com pequena declividade, seguido de trechos descendentes curtos, com maior declividade A linha piezométrica da adutora em regime permanente deve situar-se, em quaisquer condições de operação, acima da geratriz superior do conduto.

24 RECOMENDAÇÕES PARA O TRAÇADO ADO

25 PLANTA E PERFIL DE UMA ADUTORA

26 DIMENSIONAMENTO DAS ADUTORAS POR GRAVIDADE Parâmetros para o cálculo da adutora: Vazão (Q) Velocidade (V) Perda de carga unitária (J) Diâmetro (D)

27 DIMENSIONAMENTO DAS ADUTORAS POR GRAVIDADE Adutora por gravidade em conduto forçado 2 L V h = f D 2g onde: h = cota NA 1 cota NA 2, m/s f = coeficiente de atrito L = comprimento da adutora, m D = diâmetro da adutora, m V = velocidade média da água, m/s g = aceleração da gravidade, m/s 2

28 DIMENSIONAMENTO DAS ADUTORAS POR GRAVIDADE Adutora por gravidade em conduto livre 1 V = R I n H onde: V = velocidade média do escoamento, m/s n = coeficiente de Manning R H = raio hidráulico, m I = declividade da linha de energia, m/m Velocidade máximas em condutos forçados: 3,0 a 6,0 m/s

29 DIMENSIONAMENTO DAS ADUTORA POR RECALQUE Parâmetros para o cálculo da adutora: Vazão de adução, Q Comprimento da adutora, L Desnível a ser vencido, H g Material da adutora Diâmetro da adutora por recalque hidraulicamente indeterminado Determinação do diâmetro aspectos econômico-financeiros

30 DIMENSIONAMENTO DAS ADUTORAS Recomendações para o estudo do diâmetro econômico da adutora Pré-dimensionamento do diâmetro através da fórmula de Bresse, utilizando-se, no mínimo, os valores de K de 0,9, 1,0, 1,1 e 1,2. A fórmula de Bresse é apresentada a seguir: D = K Q onde: D = diâmetro, m Q = vazão, m 3 /s K = coeficiente de Bresse Análise econômica através do critério do valor presente, com taxa de desconto de 12% ao ano, ou indicada pelo órgão financiador do empreendimento; Consideração de todos os custos não comuns, tais como: custo de aquisição e implantação da adutora; custo dos equipamentos; despesas de energia elétrica; As obras comuns, como tubulações da elevatória, blocos de ancoragem, descargas, ventosas, etc, não necessitam ser consideradas; Definição das etapas de implantação da adutora e dos conjuntos motor-bomba; Alternativas a serem estudadas com o mesmo tipo de bomba e também com a mesma modulação.

31 MATERIAIS DAS ADUTORAS Análises a serem consideradas para a escolha de materiais: Qualidade de água Quantidade de água Não provocar vazamentos nas juntas Não provocar trincas, corrosões e arrebentamentos por ações externas e internas Pressão da água Economia

32 PRINCIPAIS MATERIAIS DAS TUBULAÇÕES Tubos metálicos Aço Ferro fundido dúctil Ferro fundido cinzento (não está sendo fabricado no Brasil) Tubos não metálicos Materiais plásticos (PVC, poliéster reforçado com fibra de vidro) Concreto protendido Cimento amianto (não está sendo fabricado no Brasil)

33 TUBULA ÇÃO DE A ÇO TUBULAÇÃO AÇO Vantagens Alta resistência às pressões internas e externas Não apresenta vazamentos Baixa fragilidade Disponíveis para vários diâmetros e tipos de juntas Desvantagens Pouca resistência à corrosão externa Precauções para transporte e armazenamento Cuidados com a dilatação térmica Dimensionamento das paredes dos tubo quanto ao colapso

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

35 TUBULAÇÃO DE AÇOA Tipos de juntas Soldada Flangeada Elástica Junta soldada Junta elástica (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

36 TUBULAÇÃO DE FERRO FUNDIDO Tipos de tubos Dúctil Tipo cinzento não é mais fabricado Tipos de tubos Diâmetros: 50 a mm Comprimento: 3, 6 e 7 m Classes: K-9, K-7 e 1 MPa Tipos de juntas: Chumbo Elástica Elástica travada Mecânica Flanges

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

38 OPERAÇÃO DAS ADUTORAS Condições operacionais: Condição normal condição prevista no projeto Condição emergencial falha operacional de dispositivos Condição catastrófica acidente operacional

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

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

41 ALTERNATIVAS PARA A ENTRADA DE AR EM ADUTORAS Nível muito baixo Descarga superior com introdução de ar Formação de vórtice

42 TUBULAÇÃO COM BOLSA DE AR Em repouso Em movimento sem ressalto Em movimento com ressalto

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

44 DESCARGA DE ADUTORAS UTILIZADAS NO SISTEMA ADUTOR METROPOLITANO DA RMSP

45 ESVAZIAMENTO DA ADUTORA

46 OPERAÇÃO DAS ADUTORAS Descarga Dimensões da descarga Parâmetros básicos para o dimensionamento da descarga D = 65 d V T ( Z m ) L d = 2,5 Z D 1 máx 2 V d = 1,25 Z D 2 min onde: D = diâmetro da adutora, m; 2 d = diâmetro da descarga, m; T = tempo de esvaziamento da adutora, h; Z + Z Z m = carga média disponível, m; L = extensão total da adutora entre os pontos altos nos quais há admissão de ar (L 1 + L 2 ), m; Z máx = carga máxima de (Z 1, Z 2 ), m; Z mín = carga mínima de (Z 1, Z 2 ), m.

47 ROMPIMENTO DE UMA ADUTORA a) Adutora em operação normal b) Rompimento da adutora no ponto baixo E c) Configuração final da adutora

48 ADMISSÃO DE AR Dimensionamento das válvulas de admissão de ar d a = 0,21 Z 1/4 d onde: d a = diâmetro da válvula de admissão de ar, m; d = diâmetro da descarga de água, m; Z = máximo de (Z 1, Z 2 ), m. Regra prática: Diâmetro da válvula 1/8 do diâmetro da adutora

49 CAIXA COM VÁLVULA V DE ADMISSÃO DE AR

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

51 BLOCOS DE ANCORAGEM Tipos de esforços nas tubulações: Tensão tangencial Tensão longitudinal Tensões de compressão e flexão Tensões das reações de apoio Esforços em uma curva horizontal

52 BLOCOS DE ANCORAGEM Valor da força resultante para derivações em Y Resultante dos esforços: R = k P A onde: R = força resultante, N P = pressão máxima de teste, Pa A = área da seção externa do tubo ou da saída do tê ou a diferença de áreas no caso de redução, m 2 k = coeficiente, função da geometria da peça da tubulação: - Flanges cegos, caps, tês: k = 1 - Reduções: k = 1 A /A (A = seção de menor diâmetro) - Curvas de ângulo θ: k = 2 sen k = 1,414 para curvas de 90 k = 0,765 para curvas de 45 k = 0,390 para curvas de k = 0,196 para curvas de σ 2

53 BLOCOS DE ANCORAGEM

54 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.

55 ANCORAGEM DE ADUTORAS EM DECLIVE Ancoragem da tubulação Declividade 20% - tubulação área; Declividade 25% - tubulação enterrada Força axial em tubulações com declividade

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

57 CORROSÃO Corrosão deterioração de material, por ação química ou eletroquímica, aliada ou não a esforços mecânicos

58 CORROSÃO Tipos de corrosão Corrosão galvânica Corrosão em frestas Corrosão atmosférica Corrosão pelo solo Corrosão pela água Corrosão eletrolítica Outros tipos de corrosão

59 CORROSÃO Proteção catódica consiste na injeção de corrente contínua na estrutura a ser protegida elevando seu potencial em relação ao meio Sistemas de proteção catódica corrente impressa corrente galvânica

60 PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO Proteção catódica galvânica Proteção catódica por corrente impressa

61 PROTEÇÃO CATÓDICA Componentes principais Retificador e leito de anodos Drenagem Caixa de medição e interligação Pontos de teste

62 APLICAÇÃO DA PROTEÇÃO CATÓDICA EM UMA ADUTORA DA RMSP

63 LIMPEZA DAS ADUTORAS Sedimentação Incrustação Deposição de minerais insolúveis em tubo de ferro fundido dúctil com revestimento. Adutora de água tratada, 250 mm. Idade da tubulação ~ 15 anos. Coeficiente de rugosidade C ~ 85 (Hazen- Williams). Incrustação em tubo de ferro fundido dúctil sem revestimento. Adutora de água bruta, 250 mm. Idade da tubulação ~ 25 anos. Coeficiente de rugosidade C ~ 70 (Hazen-Williams)

64 LIMPEZA DAS ADUTORAS Polly-pig Raspador de arraste hidráulico

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

66 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

67 APLICAÇÃO DO REVESTIMENTO DE ARGAMASSA DE CIMENTO

68 EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO Medidores de pressão Manômetros Manômetro de Bourdon Manômetro do tipo fole Transdutores de pressão Magnético de pressão Capacitivos Extensiométricos Piezoelétricos Amplificadores de sinal

69 MEDIDORES EM CONDUTOS FORÇADOS Medidores de vazão Medidores de obstrução Venturi Orifício

70 EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO Medidores em condutos forçados Medidores de vazão Ultrassônicos Modo diagonal Eletromagnéticos Modo reflexivo

71 MEDIDORES EM CONDUTOS LIVRE Vertedores: triangulares, circulares, retangulares, Sutro, etc Calhas: Parshall, Palmer-Bowlus, etc Medidor eletromagnético Medidor ultrassônico

72 INTERVENÇÃO EM ADUTORAS EM CARGA Simulação de bloqueio com execução de by-pass

73 INTERVENÇÃO EM ADUTORAS EM CARGA Seqüência do processo de furação e bloqueio em carga das adutoras da RMSP

74 INTERVENÇÃO EM ADUTORAS EM CARGA Equipamento de furação em carga Equipamento de bloqueio de tubulação

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

76 EXEMPLOS DE TRAVESSIA AÉREA A EM CURSOS D ÁGUA

77 TRAVESSIA A ÉREA AÉREA

78 TRAVESSIA DE UMA ADUTORA SOB UMA ESTRADA DE FERRO