Hidráulica - Trabalho 2

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UNIVERSIDADE DO VALE DO RIO DOS SINOS - UNISINOS
ENGENHARIA CIVIL
HIDRÁULICA 
TRABALHO 02 – CANAIS LIVRES
ALUNOS: 
PROFESSOR: DANIEL REIS MEDEIROS 
DISCIPLINA: HIDRÁULICA
São Leopoldo, 27 de Setembro de 2011�
1. Definição
O escoamento em condutos livres é caracterizado por apresentar uma superfície livre na qual reina a pressão atmosférica. A secção não necessariamente apresenta perímetro fechado e quando isso ocorre, para satisfazer a condição de conduto livre, a secção transversal funciona parcialmente cheia, apresentando no mínimo um ponto onde a pressão é igual à pressão atmosférica. A diferença entre os condutos forçados e os condutos livres, é justamente esta explicação, em que nos condutos livres existe pelo menos um ponto dentro da tubulação onde a pressão é igual à pressão atmosférica, sendo que nos condutos forçados, a o fluído existente enche totalmente a secção do tubo, e assim, o escoamento apresenta uma pressão diferente da atmosférica.
2. Tipos de escoamento
Em condutos livres o escoamento pode ser classificado em diversos tipos e várias maneiras. São as seguintes:
1 – Quanto ao tempo:
MOVIMENTO PERMANENTE 
Neste caso, a vazão (Q) é constante, e pode ser dividido em:
Uniforme - Velocidade Média e profundidade são constantes
Variado - Gradualmente ou Bruscamente
MOVIMENTO NÃO PERMANENTE
No movimento não permanente a vazão é variável, sendo assim, a secção transversal e a velocidade média variam, de acordo com o espaço e o tempo.
2 – Quando a trajetória das partículas:
Laminar
Turbulento
3 – Quando as linhas de corrente:
Paralelas
Não paralelas
3. Elementos que caracterizam os condutos livres
3.1 Secção transversal e área molhada
A secção transversal (S) engloba toda a área de escavação para construção do canal (definida pela linha verde) e a Área Molhada (A) é aquela ocupada pela água durante o escoamento e pode variar de acordo com a vazão do canal.
3.2 Perímetro molhado
O perímetro molhado (P) é a linha que limita a secção molhada junto as paredes e ao fundo do canal. Quanto maior o perímetro de um canal, maior é a superfície de contato entre a água e as paredes, sendo assim, a velocidade média do escoamento diminui, devido ao atrito que assume um valor maior. Na figura a seguir, o P é definido pela linha roxa.
3.3 Raio Hidráulico
O raio hidráulico (Rh) é a relação entre a área molhada (A) e o perímetro molhado (P) de um canal.
3.4 Velocidade da água
A velocidade adotada nos cálculos será um valor médio, já que na seção molhada, a velocidade varia com a posição e com a profundidade considerada. As diferenças de velocidades do fluído nos condutos livre varia por diversos fatores, são eles: resistência do fundo e das paredes do conduto; resistência superficial da atmosfera e ventos; resistência interna da viscosidade do fluido e da aceleração da gravidade. 
Junto às paredes margens e ao fundo do canal, o atrito da água contra essas superfícies sólidas, reduz a velocidade. Já no centro do canal, um pouco abaixo da superfície, a velocidade será máxima, tendo como atrito, somente a viscosidade do líquido. Abaixo, alguns exemplos de distribuição das velocidades em secções transversais.
3.5 Declividade
	Nos condutos livres, a declividade é um fator muito importante, já que diferentemente dos condutos forçados, a pressão dentro da tubulação é igual a pressão atmosférica, sendo o escoamento, dependente da gravidade. Assim, a tubulação deve apresentar certo grau de declividade para que a água possa escoar livremente sem ficar parada, criando poças.
	4. Informações importantes
4.1 Declividade de canais
	Vazão (m³/s)
	Declividade (%)
	Porte
	>10
	0,01 a 0,03
	Grande
	3 a 10
	0,025 a 0,05
	Mediano
	0,1 a 3
	0,05 a 0,1
	Pequeno
	<0,1
	0,1 a 0,4
	Muito pequeno
4.2 Inclinação dos taludes (valores de m)
	Material das paredes
	Canais pouco profundos (h<1m)
	Canais profundos (h>1m
	Rochas em boas condições
	0
	0,25
	Argilas Compactas
	0,5
	1,0 ou 0,75
	Limo Argiloso
	1,0
	1,0 ou 1,50
	Limo Arenoso
	1,5
	2,0
	Areias Soltas
	2,0
	3,0
4.3 Limites de velocidades
	Material
	Velocidade máxima (m/s)
	Terreno Arenoso Comum
	0,76
	Terreno de Aluvião
	0, 91
	Terreno de Argila Compactada
	1,14
	Cascalho grosso, Pedregulho
	1,83
	Alvenaria
	3,00
	Concreto
	6,00
4.4 Folga ou Borda-livre
								
 Folga >=20 cm (mínima)
 Folga =0,2h (20% de h)
5. Tubos de ferro fundido.
5.1. Processo de fabricação:
São fabricados por centrifugação do metal fundido em fôrmas, precedida de um recozimento em fornos contínuos e posteriormente aplicadas pinturas de proteção do metal. 
5.2. Tipos e classes: 
Podemos distinguir dois tipos, os destinados a condutos livres (tipo esgoto) e os destinados a suportar pressão interna (tipo pressão). Os tipos esgoto são produzidos com ponta e bolsa, Os tipos pressão são produzidos com ponta e bolsa e com flanges.
5.3. Dados sobre os tubos: 
Comprimentos: (1,5, 2, 3, 4 ou Gm).
Diâmetros: (50 a 600 mm — fabricação nacional).
Ferroflex, etc. As juntas tipo ponta e bolsa são tomadas com estopa e chumbo quente. Podem também ser usados compostos de enxofre. Para casos de vedação.
5.4. Conexões: 
Acompanham os tipos e as classes das tubulações, São as seguintes: joelhos, curvas, tês, cruzetas, junções, luvas, reduções, caps, plugs e mais conexões especiais para esgotos. 
5.5. Juntas: 
Para o tipo esgoto as juntas são de vedação. Tipos de juntas: ponta e bolsa, Ganges e tipos especiais como a junta Gibault, Mobex. Simples, somente, pode-se usar asfalto preparado ou argamassas de cimento e areia.
5.6. Aplicações: 
Tipo pressão-ponta e bolsa: rede de abastecimento de água, adutoras, linhas de recalque, etc. Tipo pressão com flanges: casas de bombas, reservatórios, estações de tratamento, etc. Tipo pressão com juntas especiais: casos especiais como trechos sujeitos a forte trepidação, pontes, etc. Tipo esgoto ponta e bolsa: instalações prediais de esgoto sanitário, trechos expostos de rede de esgotos, instalações prediais de águas pluviais, canais livres.
6. Tubos de Concreto.
6.1. Processo de fabricação:
Vibrado
Centrifugado
Mistos (vibrado e centrifugado)
Podem ser em concreto simples ou armado, sendo a armadura simples ou dupla. Tipos especiais para suportar pressões internas podem ter camisa de aço.
6.2. Tipos:
Os tubos de concreto simples são classificados pela Norma Brasileira - EB-6 em: Tipo C.1 e C.2. O tipo C.2 é impermeável — tubo de melhores características. São fabricados por centrifugação, durante a qual se forma uma película interna de nata de cimento impermeável. 
6.3. Juntas:
Os tubos de concreto são de ponta e bolsa ou encaixe. Tubos especiais para pressão interna podem ter juntas especiais patenteadas. As juntas são tomadas com argamassa de cimento e areia ou asfalto preparado a quente e estopa. Não são trabalhados com conexões, mas sim, com construções locais em alvenaria ou concreto. Ex.: Poços de visita ou inspeção, caixas de passagem, bocas de lobo, etc.
6.4. Aplicações:
Condutos livres — Principalmente em galerias de águas pluviais. Os tubos de classe C.2 para redes de esgoto. A armadura depende de condições externas de carga e fundação, naturalmente dependendo do diâmetro. Os tubos especiais para pressão interna são usados em linhas de abastecimento de água.
7. Tubos de matérias plásticas.
7.1. Generalidade:
Nos últimos anos, com o extraordinário desenvolvimento da indústria de matérias plásticas, tem-se difundido muito o uso dos tubos extrudados flexíveis, que tendem a ocupar lugar de excepcional destaque nas instalações prediais.
Convém por isso recordar alguns conceitos fundamentaissobre os plásticos, antes de indicar os tipos de tubos já fabricados no país.
Incluem-se na denominação de “matérias plásticas” substâncias que são estáveis nas condições de uso normal, mas que em certa fase de sua fabricação passam pelo estado plástico, quando então podem ser modeladas ou moldadas por ação do calor, da pressão ou de ambos simultaneamente. A maior parte das matérias plásticas é constituída por polímeros; deve-se lembrar que por polimerização se entende a união química de duas ou mais moléculas de um mesmo composto para formar moléculas mais pesadas, conduzindo ao aparecimento de um composto novo, de mesma fórmula bruta, porém de peso molecular maior. As substâncias de alto peso molecular obtidas por polimerização costumam ser divididas em duas classes: 
1º) Os compostos para os quais a estrutura do polímero é idêntica à do monômero, por exemplo, os poliestirenos, os poliacetatos de vinila; esses são: via de regra, polímeros de adição, dos quais algumas espécies podem ser despolimerizadas pelo calor; 
2º) Os compostos para os quais a estrutura do polímero é diferente da do monômero; esses constituem os polímeros de condensação que às vezes só podem ser decompostos por hidrólise; por exemplo, entre os produtos naturais, pertencem a essa classe o amido e a celulose, entre os produtos sintéticos os acetais polivinílicos e o nilose.
A mais difundida classificação das matérias plásticas é a que considera duas categorias: as substâncias termoplásticas e as termoresistentes. As primeiras são as que se tornam plásticas por efeito do calor, podendo ser amolecidas ou fundidas pelo calor de modo repetido, sem que suas propriedades sejam modificadas de modo apreciável; as termoresistentes são as substâncias plásticas que, uma vez submetidas ao calor ou à pressão, resistem a todo tratamento térmico posterior visando sua deformação. São particularmente importantes nas aplicações os plásticos produzidos a partir do acetato de celulose: plexiglas polietileno, resinas, etc.
Os tubos plásticos são fabricados por extrusão. Várias indústrias nacionais já estão produzindo esse material: a Companhia Brasileira de Extrusão (CEE), a AMEROPA, a PLASTAR, a TIGRE-Cia. Hansen Industrial, a 5. A. Tubos Brasilit e a Nitroquimica. Destas, as duas primeiras trabalham com polietileno; as três seguintes com PVC rígido (cloreto de polivinil) e a última com nylon.
7.2. Dados sobre os tubos:
Como não existiam ainda normas brasileiras para tubos plásticos, foram adotadas as normas e especificações norte americanas do “United States Department of Commerce” e da “Society of Plastics Industry”
Na impossibilidade de apresentar as características de todos os tubos plásticos já fabricados no país, daremos algumas informações retiradas dos catálogos da CBE, os mais completos atualmente.
A matéria prima empregada por essa indústria é um especial da família das parafinas poliméricas.
As principais propriedades físicas desses tubos são:
 
 Tabela 01: Propriedades físicas de tubos.
	
	Temperatura
	Kg/cm2
	Resistência a tensão
	55° C
	180
	
	23° C
	130
	
	70° C
	65
	Módulo de elasticidade
	23° C
	2450
	Módulo de flexão
	55° C
	16000
	
	23° C
	1900
	
	70° C
	560
	Condutividade
	BTU 1,75
	Temperatura de enrijecimento
	 75° C
 Fonte: Elementos de Engenharia Hidráulica e Sanitária, (1969).
7.3. Aplicações:
Os tubos plásticos podem ser usados nas instalações prediais de água fria, gás, óleo, ar comprimido e em canais livres.
7.4. Tipos:
7.4.1. Polímeros
7.4.1.1. Características e fabricação:
Finalmente, para dar uma idéia das características dos tubos de PVC rígidos, indicamos a seguir alguns dados correspondentes à chamada série.
Esses tubos são fornecidos em barras de 4 e 5 metros (em rolos até o diâmetro de ¾”).
Tabela 02: Dados de tubos de pvc.
	Diâmetro Nominal
	Espessura
	Peso por m
	(pol.)
	(mm)
	(kg)
	1/2"
	2,50
	0,215
	3/4"
	3,00
	0,330
	1"
	3,50
	0,490
	1 3/4"
	3,75
	0,670
	1 1/2"
	4,00
	0,815
	2"
	5,00
	1,290
	3"
	5,00
	1,875
	4"
	5,00
	2,500
	6"
	5,00
	3,640
	8"
	5,00
	4,580
	10"
	5,00
	5,700
Fonte: Elementos de Engenharia Hidráulica e Sanitária, (1969).
Para fabricação do PVC se utiliza produtos de matérias-primas puras, de acordo com as normas brasileiras e internacionais passando por diversos testes de qualidade garantindo: 
Uniformidade nas paredes internas e externas de tubos e conexões;
Resistência a impactos;
Uniformidade nas dimensões;
Facilidade no manuseio e aplicação;
Segurança na instalação
Durabilidade.
O PVC amolece com a ação do calor; fica pastoso a 180º e carboniza a 220º C. Temperatura máxima de trabalho 55º C e o peso especifico kgf./m3 920 à 930.
Conforme AMANCO, o PVC é atóxico, leve, sólido, resistente, impermeável, estável e não propaga chamas. Tem qualidades que tornam adaptáveis a múltiplos usos.
O tubo de PVC tem sobre o ferro a vantagem de serem muito mais leves e mais fáceis de instalar, praticamente imunes à corrosão e com melhores características hidráulicas. Os estudos feitos sobre a vida útil dos encanamentos plásticos até o momento têm mostrado o seu comportamento satisfatório.
Uma das principais e mais importantes características dos polímeros, são as mecânicas. Segundo ela os polímeros podem ser divididos em termoplásticos, termoendurecíveis (termofixos) e elastômeros (borrachas).
7.4.1.2. Termoplásticos
Termoplásticos é um dos tipos de plásticos mais encontrados no mercado. Pode ser fundido diversas vezes, alguns podem até dissolver-se em vários solventes. Logo, sua reciclagem é possível, característica bastante desejável atualmente.
7.4.1.3. Aplicações:
De acordo com os catálogos da AMANCO, o PVC também utilizado em calhas, redes de distribuição de água potável domiciliar e pública, redes de saneamento básico domiciliar e público.
8. Rugosidade dos tubos.
Conforme tabela abaixo:
	Rugosidade dos tubos (valores de e em metros)
	Material
	Rugosidade
	
	Novos
	Velhos
	Ferro Fundido (sem revestimento)
	0,00025 a 0,00050
	0,0030 a 0,0050
	Concreto (bem acabado)
	0,0003 a 0,0010
	-
	Concreto (ordinário)
	0,0010 a 0,0020
	-
	PVC
	< 0,00001
	< 0,00001
	Dados indicados por R. W. Pcwell
9. Fotos
10. Referências
AMANCO. Manual técnico de Instalação de Água Fria, de Instalação de Água Quente, de Instalação de Esgoto. Disponível em: < www.amanco.com.br >.
GARCEZ, Lucas Nogue. Elementos de Engenharia Hidráulica. 2ª Edição. São Paulo: Edgard Blücher, 1969. 301 - 310 p.
MACINTYRE, Archibald Joseph. Manual de Instalações Hidráulicas e Sanitárias. Rio de Janeiro: LTC, 1990. 267 - 309 p.
METAIS BRASIL. História da tubulação. Disponível em: < http://www.revistametaisbrasil.com.br/revistas/metais-brasil/04/especial/o-novo-perfil-do-consumidor-mundial .htm� >.
WIKIPEDIA. Polietileno. Disponível em: < http://pt.wikipedia.org/wiki/Polietileno�� >. 
 
WIKIPEDIA. Polímeros. Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Pol%C3%ADmeros�� >.