AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA HIDRÁULICA DE GALERIAS DE DRENAGEM PLUVIAIS COM SEÇÕES RETANGULARES E CIRCULARES

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1 AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA HIDRÁULICA DE GALERIAS DE DRENAGEM PLUVIAIS COM SEÇÕES RETANGULARES E CIRCULARES ROGÉRIO CAMPOS1 JULIANO DANIEL NUNES2 GILCENARA DE OLIVEIRA3 Resumo As águas provenientes de chuvas intensas ou de curta duração uma vez precipitadas nas chamadas bacias de micro-drenagem existentes em zonas urbanas, precisam ser dirigidas a um curso natural, seja rio, lago, canal aberto ou mesmo o mar. Para isso, técnicas e estudos são aplicados às bacias e uma vez concluídos, inicia-se as necessárias obras de drenagem. Considerando as galerias de drenagem de concreto armado ou simples, existe por parte das empresas construtoras desse tipo de obra, ainda na fase da concepção de projeto, dúvidas e questionamentos com relação ao emprego da forma geométrica desses elementos de condução de águas pluviais. Algumas construtoras, em determinadas obras, utilizam o modelo de galerias da forma circular, ou seja, tubos pré-moldados em concreto armado ou simples e em outras, as de forma celular, ou retangular, também chamadas de aduelas. O objetivo desse trabalho é comparar e demonstrar a melhor opção construtiva de galerias pluviais considerando as seções circulares e quadradas ( aduelas ), tendo em vista a melhor e maior eficiência hidráulica do sistema. Palavras-Chave Eficiência Hidráulica, Drenagem Urbana, Galerias ASSESSMENT OF THE HYDRAULIC EFFICIENCY OF DRAINAGE GALLERIES WITH RETANGULAR AND CIRCULAR CROSS SECTIONS Abstract The waters from rains once precipitated in so-called drainage basins that exist in urban areas, need to be directed to a natural course, be it River, Lake, open channel or even the sea. To this end, techniques and studies are applied to watersheds and once completed, will begin the necessary drainage works. Considering the reinforced concrete drainage galleries exists on the part of the construction companies of this type of work, still in the design phase of project, inquiries and questions regarding the use of geometric shape of these elements. Some builders, in certain works, use the model of circular galleries, i.e. precast pipes in reinforced concrete, and in others rectangular form, also called "staves". The objective of this work is to compare and demonstrate the best constructive option of pluvial galleries considering the circular and square sections ("staves"), with a view to a better and higher hydraulic efficiency of the system. Keywords Hydraulic Efficiency, Urban Drainage, Sewers. 1 Professor-Titular da Universidade de Fortaleza UNIFOR, Centro de Ciências Tecnológicas, Av. W. Soares, 1321 Fortaleza CE BRASIL Rogerio.Campos@unifor.br 2 Engenheiro Civil 3 Professora-Assistente da Universidade de Fortaleza UNIFOR, Centro de Ciências Tecnológicas, Av. W. Soares, 1321 Fortaleza CE BRASIL Gilcenara.Oliveira@unifor.br 1

2 INTRODUÇÃO É responsabilidade das entidades de gestão urbana a drenagem que consiste em captar, conduzir e dar um destino correto, contemplando na maioria das vezes o aspecto ambiental, as águas denominadas de pluviais. Estas são provenientes das chuvas que uma vez precipitadas nas chamadas bacias de micro-drenagem, precisam ser adequadamente direcionadas a um curso natural, seja corpo fluvial, lacustre ou o mar. Para isso, técnicas e estudos são aplicados às bacias e uma vez concluídos, iniciam-se as projetadas obras de drenagem. As águas pluviais devem ter um direcionamento adequado e planejado. Devem ser conduzidas para os mananciais com a garantia de que não irão ocasionar nenhum contratempo, dano ou catástrofe pertinente a inundações, transbordamentos, infiltrações, etc., seja no decorrer de todo o trecho ou em seu destino final. A drenagem de águas pluviais é uma realidade na maioria das sociedades urbanas, valendo mencionar que por conta disso e de fatores como o crescimento das cidades e da população, buscam-se maneiras cada vez mais simples e baratas para esgotar essas águas. Em se tratando de micro-bacias urbanas, existe todo um conjunto de elementos construtivos que dão suporte ao efetivo escoamento das águas drenadas. Apesar do estudo do esgotamento pluvial ser conduzido pela hidrotécnica urbana ou engenharia de drenagem superficial, que inclui estudos que vão desde a obtenção de dados pluviométricos, o estabelecimento da equação de previsão de chuvas, o estudo das bacias contribuintes até o dimensionamento e projeto das redes de escoamento de águas pluviais, este ramo da ciência é ligada à Engenharia de Recursos Hídricos da Engenharia Civil. Considerando as galerias de drenagem de concreto armado ou simples, existe por parte das empresas construtoras desse tipo de obra, ainda na fase da concepção de projeto, dúvidas e questionamentos com relação ao emprego da forma geométrica desses elementos de condução. Algumas construtoras, em determinadas obras, utilizam o modelo de galerias da forma circular, ou seja, tubos pré-moldados em concreto e em outras, as de forma celular, ou retangular, também chamadas de aduelas. O intuito dessas galerias é buscar um modo de escoamento mais eficiente possível, ou seja, uma drenagem segura e eficaz das águas pluviais considerando o terreno natural e sua respectiva topografia. Existe nesses elementos construtivos uma eficiência hidráulica vinculada a fatores que deverão previamente serem estimados através de equações, como por exemplo, a verificação da velocidade do fluxo, a área que esse fluxo irá alcançar na seção considerada, etc. O objetivo desse trabalho é comparar e demonstrar a melhor opção construtiva de galerias pluviais considerando as seções circulares e quadradas ( aduelas ), tendo em vista a melhor e maior eficiência hidráulica do sistema. Parâmetros importantes e necessários relacionados aos dois modelos geométricos propostos como: vazão de escoamento e velocidade desse fluxo de escoamento serão abordados e levados em consideração, uma vez que eles estão intrinsecamente inseridos na eficiência hidráulica ora buscada. 2

3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Entende-se por eficiência hidráulica a capacidade em conduzir, escoar, drenar a vazão afluente dessas águas pluviais com certa velocidade, em um menor tempo e uma maior vazão nesse tempo trazendo garantia de uma drenagem eficaz ao sistema, juntamente com fatores que dizem respeito à eficiência desse sistema como por exemplo: velocidade de escoamento. Este fator diz respeito à eficiência uma vez que uma velocidade baixa causa acúmulo de rejeitos obstruindo o duto impedindo o escoamento. As galerias de drenagem são canais os quais trabalham em regime uniforme e são dimensionados pela equação de Manning, equação 1. Q= 1 2 / 3 1/ 2 R i A n h (1) onde n é o coeficiente de Manning, Rh é o raio hidráulico, i é a declividade do fundo do canal e A a área molhada. A área molhada é a seção transversal um canal que se encontra ocupada ou em contato com um fluido, em repouso ou em fluxo. O raio hidráulico é definido como a área molhada dividida pelo perímetro molhado que é o comprimento ao longo da seção transversal do canal que está em contato com a água. Mostrar-se-á a seguir alguns critérios gerais para dimensionamento de galerias de drenagem de águas pluviais: i. Referente ao dimensionamento, admite-se que o escoamento esteja em regime permanente. ii. A pressão exercida sobre a superfície líquida é a pressão atmosférica. iii. Para o diâmetro mínimo das galerias de seção circular usar-se-á 0,30 m. Os diâmetros correntes são: 0,30; 0,40; 0,50; 0,60; 1,00; 1,20; 1,50 m. iv. As galerias pluviais serão projetadas para funcionarem a no máximo 85% da seção plena com a vazão de projeto. v. A velocidade máxima admissível determina-se em função do material a ser empregado na galeria. vi. Deve-se usar para recobrimento mínimo da rede, 1,0 m, quando forem empregadas tubulações sem estruturas especiais. vii. Uma vez mudado o diâmetro, os tubos deverão ser alinhados pela geratriz superior. viii. Definidas as vazões de projeto de cada trecho de galeria pelo método racional, é preciso lembrar que a aplicação deste pressupõe os seguintes princípios: a. A duração da chuva que resulta na vazão máxima é igual ao tempo de concentração, pelo menos. b. A intensidade permanece constante na duração da chuva. c. A permeabilidade da superfície não se altera na duração da chuva. d. O escoamento nas galerias é o de conduto livre em regime permanente e uniforme. Além destes, alguns critérios devem ser estabelecidos, ou pelo controle dos serviços, ou pela vivência do projetista. Os mais comuns são: i. ii. Nas seções retangulares a altura mínima é de 0,50 m. As seções retangulares com altura livre mínima é de 10%. 3

4 iii. iv. v. Velocidade mínima de 0,75 m/s. Velocidade máxima de 5,0 m/s. A declividade econômica é igual à do terreno, mas limites de recobrimento e profundidade devem ser fixados (recobrimento mínimo = 1 m e profundidade máxima = 3,5 m). vi. Os diâmetros (ou dimensões) não devem decrescer de montante para jusante. vii. Nas mudanças de diâmetro (ou dimensões), as geratrizes superiores internas devem estar alinhadas. Os valores indicados acima são sugeridos, porém deve-se consultar a norma brasileira com recomendações especificas. METODOLOGIA Galerias de Águas Pluviais Circulares com Escoamento a 50% da Seção Numa dada seção transversal qualquer de um canal circular, moldado em concreto armado, com diâmetro igual a 1,50 m, tendo o coeficiente de Manning, n = 0,013, declividade, i =1%, cheio a 50% (y/d =0,5) da seção, os elementos geométricos desta seção serão: área total, At = 1,76 m², área molhada, A = 0,88 m², perímetro molhado, P = 2,35 m e raio hidráulico, Rh = 0,375 m. A Equação de Manning (equação 1) será usada para determinar a vazão Q em m³/s e a velocidade média Vm em m/s do escoamento. A Figura 1 mostra os elementos geométricos de uma galeria e seção circular, onde D é o diâmetro, y a profundidade do escoamento, α o ângulo como mostrado e B a largura superficial. Figura 1 Elementos geométricos de uma seção circular Os valores da área molhada podem ser calculados a partir da equação 2: A= D2 (α senαcosα ) 4 (2) Os valores do perímetro molhado podem ser calculados a partir da equação 3: P = Dα (3) O cálculo do ângulo α é calculado com a equação 4, em função do parâmetro y/d: y α = cos D (4) 4

5 Galerias de Águas Pluviais Quadradas com Escoamento a 50% da Seção A geometria da seção quadrada será equiparada à da circular considerada na seção anterior. Então, a aduela quadrada pré-moldada em concreto armado terá área total, At = 1,76 m², medindo sua base e altura aproximadamente 1,32 m, coeficiente de Manning, n = 0,013, declividade, i =1%, área molhada, A = 0,88 m², perímetro molhado, P =2,64 m e raio hidráulico, Rh = 0,32 m. A galeria será considerada a 50% da seção preenchida, ou seja, meia seção (y =0,66 m). A Equação de Manning (equação 1) será usada para determinar a vazão Q, em m³/s e a velocidade média, Vm em m/s do escoamento. Como os elementos geométricos das seções retangulares são muito simples, evitou-se descrevê-los neste trabalho. RESULTADOS Para verificar qual seção é mais eficiente, tomou-se a seção circular de 1500 mm de diâmetro como padrão e a partir dos valores de suas características geométricas, foram dimensionadas duas seção retangular, como descrito na Metodologia. A equação de Manning foi aplicada às duas seções e calculada as velocidades do escoamento e da vazão, como pode ser visto na Tabela 1. Tabela 1 Resultados dos cálculos da eficiência hidráulica entre as seções Velocidade Média Vazão Seção (m/s) (m3/s) Circular 4,00 3,52 Retangular 3,59 3,13 Como pode ser visto, para uma dada declividade e material (concreto armado), a seção circular é mais eficiente do ponto de vista hidráulico por suportar maior vazão. Também pelo critério da velocidade, essa seção é mais eficiente porque o fluxo é mais rápido proporcionando maior probabilidade de auto-limpeza das galerias. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Diante dos resultados obtidos no presente trabalho, o qual considerou apenas aos parâmetros de vazão e velocidade de escoamento e comparando ambas as seções com escoamento à meia seção, os tubos circulares possuem maior eficiência hidráulica em relação às aduelas. A fim de verificar se as seções circulares são mais eficientes que as retangulares, é recomendado que outros diâmetros sejam estudados que por conseguinte verificarão seções retangulares de maiores dimensões. Também, devem ser levados em conta fatores econômicos como a construção das aduelas e os investimentos em escavação e reaterro para uma comparação mais precisa. LITERATURA CONSULTADA Campos, R., Hidráulica Fluvial, notas de aula, UNIFOR, Fortaleza Brasil, sem data. Nunes, J. D., Estudo Comparativo da Eficiência Hidráulica entre Seções Circulares e Retangulares de Galerias de Águas Pluviais, Trabalho de Conclusão de Curso, UNIFOR, Fortaleza Brasil,