Determinação de caudais de projeto em coletores de águas residuais Design flows. Critérios de dimensionamento e verificação hidráulica de coletores

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1 DISCIPLINA DE SANEAMENTO AULA 18 / SUMÁRIO AULA 18 SISTEMA DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS Determinação de caudais de projeto em coletores de águas residuais Design flows Critérios de dimensionamento e verificação hidráulica de coletores Design criteria and hydraulic conditions SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

2 ETAPAS DO ESTUDO: SÍNTESE Main steps 1.Traçado da rede em planta plant layout of the drainage system 2.Cálculo de caudais Determine design flows 3.Dimensionamento hidráulico-sanitário e traçado da rede de drenagem em perfil longitudinal Draw longitudinal profile and determine hydraulic conditions SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

3 CAUDAIS DE PROJECTO Design flows Decreto Regulamentar nº 23/95 Artigo 132º: Caudais de cálculo 1. Nos sistemas de drenagem de águas residuais domésticas e industriais, os caudais de cálculo correspondem geralmente aos que se prevêm ocorrer no horizonte de projecto, ou seja, os caudais médios anuais afectados de um factor de ponta instantâneo, a que se adiciona o caudal de infiltração. Design flows should consider the average anual flow and a peak factor, to which the infiltration flow is added. 3. Para o ano de início da exploração do sistema deve ser feita a verificação das condições hidráulico-sanitárias de escoamento (altura e velocidades) The hydraulic conditions (height and velocity) must be checked for year 0. Decreto Regulamentar nº 23/95 Artigo 123 : Factor de afluência à rede 1. O factor de afluência à rede é o valor pelo qual se deve multiplicar a capitação de consumo de água para se obter a capitação de afluência à rede de águas residuais domésticas wastewater production per capita results from multiplying the average per capita water consumption by the inflow coeficient. 2. Os factores de afluência à rede devem ser discriminados por zonas de características idênticas, que são função da extensão de zonas verdes ajardinadas ou agrícolas e dos hábitos de vida da população, variando geralmente entre 0,70 e 0,90. Inflow coeficient values vary usually between 0.7 and 0.9 SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

4 CAUDAIS DE PROJECTO Design flows 1.Distribuição da população, por trechos Determine the population that is connected to each stretch 2.Cálculo da população acumulada servida por cada trecho Determine the accumulated population associated with each stretch 3.Cálculo do caudal de projecto Determine design flow sendo: Q total = Q doméstico + Q industrial + Q infiltração Q total - caudal total a drenar pelo coletor (total flow to be transported) Q doméstico caudal atribuível à população (flow due to population activities) Q industrial - caudal atribuível à indústria (flow from industries) Q infiltração - caudal de infiltração de águas subterrâneas e de afluências pluviais (infiltration form groundwater and stormwater) SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

5 DETERMINAÇÃO DE CAUDAIS DE PROJECTO CAUDAIS DE PROJECTO Design flows 4.Cálculo do caudal de infiltração infiltration flow Usual considerar: 0 < Q i < Q m (common use) De acordo com o Artigo 126º do DR 23/95: para D 300 mm ENTÃO Q i = Q m 5.Cálculo do caudal de ponta peak flow Q domestic = F h x ( K r x População x Capitação ) F h - factor de ponta instantâneo (variável com a população, de acordo com o Artigo 125º do DR 23/95) instant peak factor F h = 1, Pop K r - coeficiente de afluência que varia (normalmente) de 0,70 a 1,0, que resulta de que nem toda a água consumida é drenada (perdas, regas, lavagens, etc.) infiltration coefficient (0.7 to 1) SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

6 CRITÉRIOS DE DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO-SANITÁRIO Hydraulic design criteria Diâmetro mínimo (Artigo 126º do DR 23/95) minimum diameter D min = 200 mm Altura máxima do escoamento (Artigo 133º do DR 23/95): maximum flow height a) coletores domésticos domestic wastewater flows D 500 mm y máx / D = 0,50 D > 500 mm y máx / D = 0,75 b) coletores unitários e separativos pluviais combined wastewater or stormwater flows y máx / D = 1 Velocidade máxima de escoamento (Artigo 133º do DR 23/95): maximum velocity V máx = 3 ms -1 V máx = 5 ms -1 wastewater or stormwater flows) coletores domésticos (domestic wastewater flows) coletores unitários ou separativos pluviais (combined SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

7 CRITÉRIOS DE DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO-SANITÁRIO Hydraulic design criteria Inclinações mínimas e máximas por razões construtivas [Artigo 133º do DR 23/95] minimum and maximum slope J mín = 0,3% J máx = 15% admitem-se inclinações inferiores à mínima desde que seja garantido o nivelamento e o poder de transporte e caso seja necessário inclinações superiores à máxima devem prever dispositivos especiais de ancoragem do coletor J mín = 1/ D (mm) Norma Europeia European guidelines SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

8 CRITÉRIOS DE DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO-SANITÁRIO Hydraulic design criteria Autolimpeza condições de escoamento para o caudal de ponta (início de exploração da rede), tais que os sólidos depositados nas horas mortas possam ser arrastadas em horas de ponta. Self-cleaning conditions must be maintained in order that the solids settleded during low flow hours are dragged during peak hours. Critério de auto-limpeza (Artigo 133º do DR 23/95): Velocidade do escoamento para o caudal de ponta no início de exploração: self-cleaning criteria (velocity in year 0) V Auto-limpeza = 0,6 ms -1 coletores domésticos (domestic wastewater flows) V Alimpeza = 0,9 ms -1 coletores unitários / separativos pluviais (combined wastewater or stormwater flows) Sendo inviáveis os limites de velocidade mínima, como sucede nos coletores de cabeceira, devem estabelecer-se declives que assegurem estes valores limites para o caudal de secção cheia. When these limits are not achieved it is enough to meet them for full section flow. SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

9 PROCEDIMENTO E METODOLOGIA DE DIMENSIONAMENTO Hydraulic design steps 1º cada troço entre duas caixas de visita deve ser dimensionado iniciando-se os cálculos por uma das caixas de visita de cabeceira, caminhando de montante para jusante e não se passando a qualquer troço de jusante sem ter concluído o dimensionamento de todos os troços a montante start from upstream to downs tream 2º a determinação do diâmetro e da inclinação dos coletores deve ser feita em estreita ligação com o perfil longitudinal do terreno, de forma a minimizar o volume de terras diameter and slope should be selected according to the longitudinal profile, in order to minimize land movement; 3º as inclinações dos coletores devem estar compreendidas entre limites mínimos e máximos por razões construtivas slopes must respect maximum and minimum valuesdue to constructive reasons 4º a altura e a velocidade de escoamento devem ser inferiores ou iguais às máximas admissíveis, para o caudal de ponta no ano horizonte de projecto Hydraulic conditions must be checked for design year regarding transport capacity (h/d and Vmax) 5º a velocidade ou o poder de transporte devem ser superiores ou iguais aos mínimos exigidos (autolimpeza), para o caudal de ponta no início de exploração da rede Hydraulic conditions must be checked for year 0 regarding self-cleaning conditions (Vmin or transport capacity) SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

10 DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO DE CADA COLETOR Hydraulic design MÉTODO ANALÍTICO Analitic method Conhecidos I colector, D e Q dim : a) calcular θ (iterativamente); b) determinar y, S e V (pela equação da continuidade). Q = K s x S x R 2/3 x J 1/2 0,6 Q = 2-13/3 x K s x θ -2/3 ( θ sin θ ) 5/3 x D 8/3 x J 1/2 Q θ 1,6 0, 4 n+ 1 senθ n 6, 063 D θn Ks J = + SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

11 DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO DE CADA COLETOR Hydraulic design MÉTODO GRÁFICO Graphical method Conhecidos I colector, D e Q dim : a) calcular Q f e V f b) determinar a relação Q dim / Q f c)utilizar o ábaco das propriedades hidráulicas das secções circulares: curva de Q Q dim / Q f y / D y curva de V y / D V / V f V SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

12 CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICAS DO ESCOAMENTO Hydraulic conditions 1 Quadro para dimensionamento com Q ponta do Ano 40 1 Quadro para verificação para Q ponta do Ano 0 1 table for Year 40 and 1 table for year 0 Trecho População [hab] Q m f p Q inf Q dim D I y/d V real τ real Q sc V sc [-] Afluente Acumulada [L/s] [-] [L/s] [L/s] [mm] [m/m] [-] [m/s] [N/m 2 ] [L/s] [m/s] SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

13 ASPECTOS A OBSERVAR NO TRAÇADO EM PERFIL LONGITUDINAL Issues to consider when designing the longitudinal profile 1.Sempre que possível, adotar inclinações que minimizem o volume de escavação (chegar a jusante com a profundidade mínima) minimize depth of excavation (use minimum depth in the downstream mainhole when possible) 2.Respeitar inclinações máximas e mínimas (a discutir no dimensionamento hidráulico) comply with minimum and maximum slope 3.Profundidade de assentamento mínima, medida sobre o extradorso dos coletores, de 1,00 m (poderá ser menor, em casos excecionais) minimum depth of 1,0 m, measured to the top of the pipe (can be lower in special circumstances) SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

14 ASPECTOS A OBSERVAR NO TRAÇADO EM PERFIL LONGITUDINAL Issues to consider when designing the longitudinal profile 5. Alinhamento dos coletores em perfil longitudinal: (pipe alignment) a) Alinhar os coletores pelas geratrizes interiores superiores align pipes by the upper part b) Cota da linha de energia específica a montante da caixa de visita igual à cota da linha de energia específica a jusante mais uma dada queda na caixa de visita drops in the manholes must be accounted for when analysing the specific energy line c) Progressão crescente dos diâmetros de montante para jusante da rede (Regulamento) diameter size must not decrease from upstream to downstream 6. Diâmetro mínimo regulamentar (estipulado pelo Regulamento em 200 mm) minimum diameter of 200 mm. SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

15 SELECÇÃO DA INCLINAÇÃO DOS COLECTORES Selecting the slope of the pipes i ground < i min Se (if) i ideal < i mín i mín (*) Min. depth i = i min i min < i ground < i máx Se (if) i mín < i ideal < i máx i ideal Min. depth i = i ground (*) I ideal - inclinação que se obtém unindo a cota de soleira da caixa de visita de montante com a cota da caixa de visita de jusante a que corresponde a profundidade mínima slope obtained by linking the bottom of the upstream manhole to the bottom of the downstream manhole defined with the minimum depth SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

16 SELECÇÃO DA INCLINAÇÃO DOS COLECTORES Selecting the slope of the pipes Se i ideal > i máx i máx i ground > i máx recorrer a uma câmara de visita com queda. Install a manhole with a drop. Min. depth i = i máx Se coletor a montante estiver a uma profundidade superior à mínima, adotar um declive que traga o coletor, a jusante, para a profundidade mínima regulamentar ou a exequível, face ao i mínimo aceitável. > Min. depth Min. depth If the upstream manehole has depth higher that the minimum, choose a slope that installs the downstream manhole at the minimum depth. i = i calculated SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

17 SELECÇÃO DA INCLINAÇÃO DOS COLECTORES / EXEMPLOS Examples Trechos que se iniciam com a profundidade mínima streches that begin with minimum depth i terreno < i mínima i mínimo i ground < i mín i mín Regra geral common rule i ideal < i mín i mín SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

18 SELECÇÃO DA INCLINAÇÃO DOS COLECTORES / EXEMPLOS Trechos que se iniciam com profundidade mínima e (streches that begin with minimum depth and) i mínima < i terreno < i máxima i mín < i ground < i máx Nestes casos, adotar (choose) i terreno (i ground ) Regra geral (common rule): i mín < i ideal < i máx Adotar (choose) i ideal SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

19 SELECÇÃO DA INCLINAÇÃO DOS COLECTORES / EXEMPLOS Adotar (choose) i mín Adotar (choose) i máx SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

20 PERFIL LONGITUDINAL DOS COLECTORES SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

21 DIÂMETROS E OUTRAS REGRAS DO PERFIL LONGITUDINAL Diameters and other rules [Decreto Regulamentar nº 23/95 Artigo 135º] 1. Nas redes separativas domésticas, a secção de um coletor nunca pode ser reduzida para jusante diameter size in wastewater separate systems must not decrease from upstream to downstream 2. Nas redes unitárias e separativas pluviais, pode aceitar-se a redução de secção para jusante, desde que se mantenha a capacidade de transporte diameter size in combined wastewater systems must not decrease from upstream to downstream [Decreto Regulamentar nº 23/95 Artigo 159º] inserção de um coletor noutro deve ser efetuado no sentido do escoamento the insertion of one pipe into another must be done folloing the flow direction; nas alterações de diâmetro [dos coletores] deve haver sempre a concordância da geratriz superior interior dos coletores (evitar regolfos e entupimentos e garantir a continuidade da veia líquida) pipes with different diameter must be alligned by the upper part (to avoid hydraulic jump and clogging) quedas simples (se desnível 0,50 m) ou guiadas (se > 0,50 m) soft drops ( 0,5 m) ou guided drops (>0,5 m) se a profundidade da câmara de visita exceder os 5 m, construir um patamar de segurança a meio, com passagens não coincidentes if the depth of a manhole is >5m a platform must be built halfway, with non matching passings. SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

22 LOCALIZAÇÃO E TRAÇADO DE COLECTORES Location and layout of pipes [Decreto Regulamentar nº 23/95 Artigo 137º] 1. A profundidade de assentamento dos coletores não deve ser inferior a 1 m, medida entre o seu extradorso e o pavimento da via pública minimum depth of 1m, relative to the top of the pipe O valor referido no número anterior pode ser aumentado em função de exigências do trânsito, da inserção dos ramais de ligação ou da instalação de outras infraestruturas the minimum depth can be incresed depending on traficc demands or due to the connection to households or other infrastructures Em condições excecionais, pode aceitar-se uma profundidade inferior à mínima desde que os coletores sejam convenientemente protegidos para resistir a sobrecargas depths lower than the minimum may be allowed as long as the protection of the pipes is guaranteed [Decreto Regulamentar nº 23/95 Artigo 24º] 3. A implantação das condutas [de distribuição de água] deve ser feita num plano superior ao dos coletores de águas residuais e a uma distância não inferior a 1 m, de forma a garantir proteção eficaz contra possível contaminação, devendo ser adotadas proteções especiais em caso de impossibilidade daquela disposição water distribution pipes must be placed at least 1 m above wastewater drainage pipes, in order to prevent contamination. If this is not possible, adequate protection must be ensured. SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

23 LOCALIZAÇÃO E TRAÇADO DE COLECTORES (PLANTA E PERFIL LONGITUDINAL) Location and layout of pipes em planta, o traçado dos coletores das duas redes deve apresentar sempre a mesma posição relativa, ou seja, o coletor de águas residuais sempre à direita ou à esquerda do pluvial on top view, the wastewater pipe and the stormwater must must maintain the same relative position(wastewater pipe to the right or to the left of the stormwater pipe) em perfil longitudinal, a soleira do coletor pluvial deve ser localizada a uma cota superior à do extradorso do coletor de águas residuais in the longitudinal profile the lower part of the stormwater pipe must be placed at a higher elevation than the upper part of the wastewater pipe. em perfil transversal, devem ser fixadas distâncias mínimas, na horizontal e na vertical, entre os extradorsos dos coletores pluvial e de águas residuais in the cross-sectional profile minimum distances must be set between the wastewater pipe and the stormwater pipe, both horizontally and vertically. nas confluências, nos cruzamentos e nas mudanças de direção, as caixas de visita devem ser implantadas com a disposição que se apresenta na Figura in crossings, junctions and direction changes the manholes should be placed according to the Figure. SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

24 CÂMARAS DE VISITA Manholes [Decreto Regulamentar nº 23/95 Artigos 155º a 160º] Câmaras de visita normalizadas Normalized manholes Câmaras de visita para grandes diâmetros Manholes for large diameters SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

25 CÂMARAS DE VISITA / CORPO E COBERTURAS Manholes: body and opening Câmaras com diâmetro interior (D i ) função da profundidade (H) inner diameter (D i ) depending on the dept (H) H < 2,5 m H > 2,5 m D i = 1,00 m D i = 1,25 m SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

26 CÂMARAS DE VISITA / SOLEIRAS, QUEDAS SUAVES E QUEDAS BRUSCAS Manholes: bottom, soft drops and guided drops SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

27 CÂMARAS DE VISITA / SOLEIRAS, QUEDAS SUAVES E QUEDAS BRUSCAS Manholes: bottom, soft drops and guided drops SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

28 CÂMARAS DE VISITA / DISPOSITIVOS DE FECHO E DEGRAUS NORMALIZADOS Manholes: closing mechanism and normalized steps SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

29 CÂMARAS DE CORRENTE DE VARRER Manhole with a sweping chain [Decreto Regulamentar nº 23/95 Artigo 161º] SANEAMENTO / FEVEREIRO DE

30 RAMAIS DE LIGAÇÃO / PORMENORES CONSTRUTIVOS Manholes: bottom, soft drops and guided drops [Decreto Regulamentar nº 23/95 Artigos146º a 154º] SANEAMENTO / FEVEREIRO DE