SANEAMENTO Aula 5 - Sumário AULA 5. Constituição dos sistemas de abastecimento e de distribuição de água. Saneamento [55]

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1 SANEAMENTO Aula 5 - Sumário AULA 5 Constituição dos sistemas de abastecimento e de distribuição de água. Saneamento [55]

2 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]

3 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]

4 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]

5 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]

6 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]

7 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]

8 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]

9 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]

10 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]

11 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]

12 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]

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

14 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]

15 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]

16 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]

17 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]

18 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]

19 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]

20 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]

21 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]

22 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]

23 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/ ?. Saneamento [77]

24 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]

25 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]

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

27 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]

28 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]

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

30 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]

31 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 Saneamento [85]

32 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]

33 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]

34 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 = 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]

35 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]

36 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]

37 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]

38 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% Saneamento [92]

39 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]

40 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]

41 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]