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1 SISTEMAS PÚBLICOS DE ESGOTAMENTO SANITÁRIO Ao conjunto de obras e instalações destinadas a propiciar a coleta, transporte, tratamento (sempre que necessário) e disposição final das águas servidas de uma determinada cidade, dá-se o nome de Sistema Público de Esgotamento Sanitário “SPES”. Na falta total ou parcial do SPES, ocorrerá fatalmente a poluição e a contaminação do solo e das águas superficiais e freáticas. Na falta de redes de coleta, as águas servidas acabam escoando a céu aberto, por sarjetas, valetas ou córregos, e passam a se constituir em perigosos focos de disseminação das chamadas doenças de veiculação hídrica (cólera, hepatite, disenterias, etc). Fig. 1 - Esquema genérico do SPES: coleta, transporte, tratamento e disposição final de esgoto sanitário No Brasil adota-se normalmente o chamado “Sistema Separador Absoluto”. Segundo a norma brasileira NBR-9648, trata-se de “um conjunto de condutos, instalações e equipamentos destinados a coletar, transportar, condicionar e encaminhar, somente esgoto sanitário, a uma disposição final conveniente, de modo contínuo e higienicamente seguro”. No sistema separador absoluto as águas servidas e as águas pluviais são coletadas separadamente, em dois sistemas distintos. A grande vantagem desse sistema é que, não se misturando as águas de chuvas com as águas servidas, as vazões de coleta e de tratamento das águas servidas é bem menor, resultando em tubulações e unidades menores. A rede coletora é o conjunto de tubulações constituídas por ligações prediais, coletores de esgoto, coletores tronco e seus órgãos acessórios. Sua função é receber as contribuições dos domicílios, prédios e economias, promovendo o afastamento do esgoto sanitário coletado em direção aos grandes condutos de transporte (interceptores e emissários) para o local de tratamento e descarga final (corpo receptor). A ligação predial é parte integrante da rede coletora. Trata-se do trecho final do coletor predial, de propriedade particular, que faz a interligação ao coletor público, situando-se entre esse e o alinhamento do terreno. Uma caixa de inspeção a ser aí construída delimita a responsabilidade de manutenção e reparação do coletor predial e da rede coletora. ETE COLETOR TRONCO COLETOR TRONCO INTERCEPTOR Rede coletora EMISSÁRIO DISPOSIÇÃO FINAL (corpo receptor) rede rede rede rede rede rede rede coletor tronco ligações prediais 2 A SABESP - Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo, dá as seguintes instruções técnicas quanto ao coletor predial, cuja execução, como já foi dito, é uma atribuição do proprietário do imóvel (ver Figura 2). - usar manilha (tubo cerâmico), com declividade longitudinal mínima de 2% para diâme- tro mínimo DN 100, na execução até o alinhamento predial. Caso seja do interêsse do proprietário do imóvel, pode-se deixar mais 10 a 20 cm para fora do alinhamento; - para facilidade de localização pode-se deixar a tubulação descoberta na soleira, no alinhamento predial, devidamente protegida. A profundidade recomendável do coletor predial, no alinhamento é de 0,90m. Fig. 2 - Corte esquemático de uma ligação predial ao coletor público de esgoto sanitário - é terminantemente proibida a interligação dos ralos de águas pluviais no ramal interno de esgotos; - o tanque de lavar roupas deve ser coberto e, somente neste caso, é permitida a interligação do mesmo ao ramal interno de esgotos; - de preferência utilizar uma ou mais caixas de inspeção que facilitam eventuais deso- bstruções sem a quebra de pisos. Estas podem ser construidas em concreto, alvenaria ou cimento amianto e devem ter as seguintes dimensões mínimas: 0,45 x 0,60 e profundidade variável. A tampa da caixa de inspeção deve ser de material resistente e facilmente removível. O coletor de esgoto é a tubulação que recebe contribuições prediais em qualquer ponto ao longo do seu comprimento. O coletor de maior extensão de uma mesma bacia de esgotamento denomina-se coletor principal; podendo haver mais de um conforme o traçado da rede coletora; os demais são chamados coletores secundários ou simplesmente coletores. O coletor tronco é a tubulação, geralmente de maior diâmetro e profundidade, que recebe contribuições de esgoto apenas de outros coletores, em pontos determinados, onde são localizados poços de visita, uma vez que as ligações ao longo de seu comprimento são inviabilizadas, quer pela profundidade, quer pelo material de que são feitos (geralmente são de concreto armado). Em geral são construídos ao longo dos talvegues das bacias hidrográficas. Os órgãos acessórios são dispositivos fixos desprovidos de equipamentos mecânicos, que são construídos em pontos singulares da rede coletora com a finalidade de permitir a inspeção e a desobstrução das canalizações, além de facilitar a manutenção da pressão atmosférica nos tubos, garantindo o escoamento livre. As caixas de passagem e as conexões, apesar de permitidas pela normalização brasileira, através da NBR 9649/1986, não atendem a esses objetivos e por isso só são utilizadas em situações especiais. RUA alinhamento predial COLETOR PÚBLICO DE ESGOTO COLETOR PREDIAL (manilha DN100) passeio Cx. de inspeção LIGAÇÃO PREDIAL 3 PV (poço de visita) - trata-se de uma câmara visitável, através de abertura existente na sua parte superior, que possibilita os trabalhos de manutenção (ver Figura 3). Pode ser construido em todas as singularidades (ligações das tubulações nas mudanças de direção, de tipo de material, diâmetro ou de declividades). Modernamente, pode ser substituido por TL, TIL ou CP, conforme abaixo comentado. Os P.V.s são obrigatórios quando é necessário o TQ (tubo de queda), ou na reunião de tubulações com mais de 3 entradas, ou na extremidade de “SI” (sifão invertido), ou ainda quando a profundidade da rede for superior a 3,00m. TQ (tubo de queda) - é um dispositivo que faz a ligação da tubulação de chegada com o fundo do PV, sempre que uma tubulação chega ao mesmo em cota mais alta do que 0,50m, em relação ao fundo do PV (ver PV - Figura 3). Fig. 3 - Corte esquemático de um PV (sem escala) CHAMINÉ i = 0,60m Chaminé com altura variável Balão com altura máxima de 2,00m alvenaria de blocos curvos de 15 cm ou de 1 tijolo BALÃO com diâmetro interno i = 1,00m Acabamento interno cimentado liso acabamento externo com chapiscado tamponamento de ½ tubo lastro de brita 3 + 4 laje inferior de concreto armado para h 0,50 m TUBO DE QUEDA tampão de ferro fundido nível do pavimento laje superior de concreto armado com furo excêntrico lastro de concreto magro Tê 4 S I (sifão invertido) - trata-se de um trecho rebaixado, com escoamento sob pressão, construido com a finalidade de transpor obstáculos, depressões ou cursos d’água (ver Figura 4). Pode evitar a necessidade de “EEE” (estações elevatórias de esgotos). Figura 4 - Corte esquemático de um sifão invertido EEE (estação elevatória de- Esquemas alternativos de dissipadores de energia na ligação coletor-interceptor em corte enchimento 33 Figura 23 - Corte esquemático de um poço extravasor Figura 24 - válvula tipo FLAP - Fonte: catálogo da Barbará Vazão final, de um trecho “n” (Qf,n ): Qf,n = Qf ,n-1 + Qf (equação 21) sendo Qf as vazões finais (final de plano), dos últimos trechos de redes coletoras afluentes ao PV de montante do trecho “n” (ver Figura 25). DE H C INSPEÇÃO INTERCEPTOR VÁLVULA FLAP (Fig.24) CORPO RECEPTOR d0 0,8 d0 0,1 d0 Soleira do vertedor 34 Figura 25 - Esquema para estimativa das vazões nos trechos dos interceptores Para o emissário, trecho final do interceptor, a avaliação compreende também a consideração do amortecimento das vazões dos trechos anteriores, decorrentes da defasagem de seus aportes ao emissário. Segundo a norma vigente a defasagem das vazões das redes afluentes ao emissário deve ser considerada mediante a composição dos seus respectivos hidrogramas com as vazões dos trechos do interceptor imediatamente anteriores (discutido mais adiante). Outro procedimento, estudado pela SABESP (Tsutiya e Além Sobrinho,1999), propõe que a vazão contribuinte para o último trecho do interceptor ou emissário, seja calculada levando- se em conta a variação do chamado coeficiente de reforço “K”, onde: K = k1 . k2. Para vazões superiores a 750 L/s (K) seria representado por uma curva (ver Figura 26), que tende assintoticamente ao valor K = 1,2 e que pode ser calculada pela equação 22. Para vazões 750 L/s) K = 1,2 + 17,4485 Qm -0,509 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 0 50 00 10 00 0 15 00 0 20 00 0 25 00 0 30 00 0 35 00 0 40 00 0 45 00 0 50 00 0 Vazão média "Qm" (de esgoto doméstico + infiltração - em L/s ) V al or es de "K " 35 Procedimentos de dimensionamento e verificação O dimensionamento consiste nas determinações do diâmetro e da declividade e as verificações são para a comprovação da observância dos limites de tensão trativa e de velocidade crítica. Tal como no dimensionamento da rede coletora devem ser calculadas a declividade mínima e a declividade econômica e escolher a maior das duas. A declividade econômica, como já visto na rede coletora, é determinada geometricamente em razão da declividade do terreno e dos limites de profundidade e recobrimento adotados no projeto do trecho. A declividade mínima deve promover a autolimpeza, ao menos uma vez ao dia, no início do plano. A norma vigente recomenda o mesmo valor de 1,0 Pa para a tensão trativa. No entanto, neste caso, é mais conveniente a adoção de 1,5 Pa, valor esse mais favorável para o controle da geração de sulfetos. Os sulfetos atacam as canalizações de concreto, material usual nos grandes condutos. Além disso a declividade prática de 0,0005m/m, abaixo da qual o assentamento dos tubos se torna impreciso, já resulta com tensão trativa mínima de 1,0 Pa, nas vazões acima de 150 L/s (diâmetro de 600mm). Para o limite de 1,5 Pa, essa declividade prática atende às vazões acima de 500 L/s, diâmetro de 1000mm, conforme se pode ver pela Figura 27, para a qual utilizou-se a equação 23, no cálculo da declividade mínima, para a tensão trativa de 1,5 Pa e coeficiente de Manning n = 0,013 : I0,mín = 0,00035 . Qi –0,47 (Eq. 23) onde: Qi = vazão inicial (em m 3 /s), calculada pela equação 20 e I0,mín (em m/m) Figura 27 - Declividades mínimas I0min em função da vazão para = 1,5 Pa (seção circular) Assim, para o caso de vazões Qi superiores a 500 L/s já não é necessário o cálculo da declividade mínima, restringindo-se o confronto entre as declividades econômica e prática, em razão do que acima foi dito. Quando a declividade prática supera a econômica, caso de Declividade mínima I0min para = 1,5 Pa 0,0000 0,0005 0,0010 0,0015 0,0020 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Valores da Vazão Qi (m 3 /s) I 0 m in ( m /m ) Declividade prática Ip =0,0005 m/m 36 instalações à beira-mar, para condutos muito longos, superiores a 5 km, já se pode prever a necessidade de estações elevatórias, para recuperação de profundidade. Quando os condutos são de seção circular, caso mais comum, pode ser adotada uma lâmina d’água máxima de 0,80 d0 e o diâmetro (d0), para coeficiente de Manning n = 0,013, pode ser calculado pela equação 24: d0 = 0,3064 (Qf . I0 -1/2 ) 3/8 (Eq. 24) na qual: Qf = vazão final (em m 3 /s), calculada pela equação 21, I0 (em m/m) e d0 (em m) Adota-se o diâmetro comercial (DN) mais próximo no caso de utilização de tubos pré-moldados ou o diâmetro imediatamente superior que melhor se ajustar ao método construtivo. Fixados o diâmetro (d0) e a declividade (I0) resta fazer a verificação, utilizando-se por exemplo o Quadro 10, no qual deve-se entrar com as relações Qi / Qp e Qf / Qp, onde Qp é a vazão à seção plena (equação 21) e as relações vi / vp e vf / vp onde vp é a velocidade à seção plena (equação 20), obtendo-se no Quadro 10 os seguintes valores: yi / d0 e yf / d0, vi e vf , RH,i e RH,f calculando-se então; a tensão trativa inicial ( i) e a velocidade crítica final (vc,f) i = . RH,i . I 0 (em Pa) e vc,f = 6 . (g. RH,f ) 0,5 (em m/s) onde: = peso específico da água (a 20°C = 9 789 N/m 3 ) RH,i e RH,f = raio hidráulico para as vazões Qi e Qf (em m) g = aceleração da gravidade (9,81 m/s 2 ) deverá resultar, para o bom funcionamento hidráulico do trecho: i 1,5 Pa e vf vc,f Caso vf resulte maior que vc,f significa que haverá incorporação de ar ao líquido, aumentando-lhe o volume, conforme já visto anteriormente. Assim o cálculo do diâmetro deve ser refeito para yf = 0,5 d0, que para n = 0,013, pode ser recalculado pela equação 25: d0 = 0,394 . (Qf . I0 -1/2 ) 3/8 (Eq. 25) Esse novo diâmetro (d0), cêrca de 30% maior, resolve o problema na grande maioria dos casos, o que se evidência refazendo-se a verificação acima com o novo diâmetro. Para o dimensionamento dos emissários devem ser consideradas as vazões amortecidas, que no caso da utilização do coeficiente de reforço (K), calculado pela equação 22, resulta: 37 K Qi = ----- . Qi + I + Qc,i e Qf = K . Qf + I + Qc,f ki Para o dimensionamento dos extravasores a vazão final estimada deve ser acrescida da parcela de contribuição parasitária admitida (ver comentários adiante). Análise de funcionamento A Norma NBR 12207/1989 prescreve o seguinte procedimento: “Após o dimensionamento dos trechos deve-se procederà verificação do comportamento hidráulico do interceptor e de seus órgãos complementares, para as condições de vazão final acrescida da vazão de contribuição pluvial parasitária”. Essa contribuição pluvial é uma parcela do escoamento superficial das águas de chuvas que depende essencialmente de dados e características locais, envolvendo desde freqüência e intensidade de chuvas até a qualidade de execução das obras da coleta. Requer um estudo atento das eventuais facilidades de penetração dessas águas nas redes coletoras, para a fixação da taxa de contribuição respectiva. Os dados disponíveis oriundos de medições efetuadas, que constam do quadro 11 abaixo, mostram uma variação de 3,4 a 6,0 L/s.km de coletor afluente ao PV de montante do trecho em estudo, valores comparáveis às próprias taxas de esgoto doméstico. Quadro 11 - Resumo dos estudos sobre contribuições pluviais parasitárias. Fonte Local Ano Dados originais L/s . km DES, SURSAN Rio 1959 6,0 L/ s . km 6,0 Greeley & Hansen São Paulo 1952 32% sobre vazão máxima tempo seco 3,9 Hazen & Sawyer São Paulo 1965 35% sobre vazão máxima tempo seco 4,1 G.M.Fair USA 1945 15% sobre vazão máxima tempo seco 3,6 G.M.Fair e G.C.Geyer USA 1959 30 galões / hab . dia 3,4 C. Nova Iorque USA 1945 12% sobre vazão máxima tempo seco 4,2 NBR-12207 Brasil 1989 até 6,0 L/s.km até 6,0 A norma vigente admite em seu item 5.6 que essa contribuição pluvial pode ser minimizada e até eliminada, desde que se estude os meios capazes de resolver o problema. Um desses meios é um estudo criterioso, eliminando-se da extensão total dos coletores, aqueles localizados em zonas de maior declividade onde o tempo de concentração das chuvas é suficientemente pequeno para impedir inundações localizadas e o acesso dessas águas aos coletores. O procedimento de análise de funcionamento compreende, após o dimensionamento, acrescer- se à vazão final estimada, a parcela de contribuição pluvial admitida após estudos. Com essa nova vazão, diâmetro e declividade calcula-se, (Q . n ) / (d0 8/3 . I0 1/2 ) Entrando com esse valor no Quadro 12, determina-se a nova relação y/d0, que deve estar abaixo ou igual à máxima relação admitida (y = 0,8 d0). 38 Quadro 12 - Escoamento em regime permanente uniforme - Canais circulares y/d0 Q . n / d0 8/3 . I 1/2 y/d0 Q . n / d0 8/3 . I 1/2 y/d0 Q . n / d0 8/3 . I 1/2 y/d0 Q . n / d0 8/3 . I 1/2 0,01 0,0001 0,26 0,0461 0,51 0,1611 0,76 0,2885 0,02 0,0002 0,27 0,0497 0,52 0,1665 0,77 0,2928 0,03 0,0005 0,28 0,0534 0,53 0,1718 0,78 0,2969 0,04 0,0009 0,29 0,0571 0,54 0,1772 0,79 0,3008 0,05 0,0015 0,30 0,0610 0,55 0,1825 0,80 0,3046 0,06 0,0022 0,31 0,0650 0,56 0,1879 0,81 0,3083 0,07 0,0031 0,32 0,0691 0,57 0,1933 0,82 0,3118 0,08 0,0041 0,33 0,0733 0,58 0,1987 0,83 0,3151 0,09 0,0052 0,34 0,0776 0,59 0,2040 0,84 0,3182 0,10 0,0065 0,35 0,0819 0,60 0,2094 0,85 0,3211 0,11 0,0079 0,36 0,0864 0,61 0,2147 0,86 0,3238 0,12 0,0095 0,37 0,0909 0,62 0,2200 0,87 0,3263 0,13 0,0113 0,38 0,0956 0,63 0,2253 0,88 0,3285 0,14 0,0131 0,39 0,1003 0,64 0,2305 0,89 0,3305 0,15 0,0151 0,40 0,1050 0,65 0,2357 0,90 0,3322 0,16 0,0173 0,41 0,1099 0,66 0,2409 0,91 0,3335 0,17 0,0196 0,42 0,1148 0,67 0,2460 0,92 0,3345 0,18 0,0220 0,43 0,1197 0,68 0,2510 0,93 0,3351 0,19 0,0246 0,44 0,1247 0,69 0,2560 0,94 0,3352 0,20 0,0273 0,45 0,1298 0,70 0,2609 0,95 0,3349 0,21 0,0301 0,46 0,1349 0,71 0,2658 0,96 0,3339 0,22 0,0331 0,47 0,1401 0,72 0,2705 0,97 0,3321 0,23 0,0362 0,48 0,1453 0,73 0,2752 0,98 0,3293 0,24 0,0394 0,49 0,1505 0,74 0,2797 0,99 0,3247 0,25 0,0427 0,50 0,1558 0,75 0,2842 1,00 0,3116 Essa mesma vazão acrescida é utilizada no dimensionamento dos extravasores. Neste caso, o procedimento compreende o cálculo do comprimento “L” necessário, para um vertedor retangular de parede delgada, podendo-se utilizar a equação de Francis para vertedores, com as seguintes limitações (ver também Figura 23): - altura máxima da lâmina vertente H = 0,1d0 e cota mínima da soleira referida à geratriz inferior = 0,8 d0 Q = 1,838 . L . H 3/2 ou L= Q/1,838. H 3/2 = 0,544 Q.H -3/2 onde: Q = vazão (em m³/s), L e H = (em m). Sifão invertido O sifão invertido é um determinado trecho rebaixado de coletor, com escoamento sob pressão, que interrompe portanto o curso de escoamento livre do esgoto e também o fluxo da mistura de ar e gases que ocorre na lâmina livre do conduto. Constitui-se numa descontinuidade geralmente indesejável ao funcionamento geral do complexo de tubulações, que promovem a coleta e o transporte do esgoto sanitário. Essa descontinuidade exige ainda observação freqüente do funcionamento e operações de ajuste ao crescimento das vazões ao longo do período do alcance planejado. No entanto constitui solução por vezes conveniente para superar obstáculos ou interferências ao caminhamento normal da canalização, pois seu funcionamento por gravidade independe de equipamentos mecânicos, adotados em outras opções. 39 Condições hidráulicas Tratando-se de um conduto sob pressão há que se cuidar que as perdas de carga sejam mínimas nas diversas etapas do funcionamento do sifão ao longo do período de alcance do projeto. Assim o esquema adotado deve ser o mais simples, evitando-se soluções rebuscadas com vertedores e curvas que aumentam as dimensões das câmaras de entrada e de saída e conduzem a cálculos por vezes complexos das perdas de carga localizadas. Outro aspecto a considerar é a necessidade de garantia da auto-limpeza dos tubos rebaixados evitando-se freqüentes intervenções para a desobstrução. O recurso usualmente utilizado é a adoção de uma velocidade suficiente para arrastar os sedimentos comuns no esgoto sanitário ocorrendo uma vez ao dia, ou seja para a vazão máxima horária de um dia qualquer, no início do plano, desconsiderando a vazão relativa à infiltração. C. Pi . q i . k 2 Qi = -------------------- (sem o coeficiente k 1) 86 400 Para o início de plano, que corresponde à equação acima, a velocidade no trecho rebaixado não deve ser inferior a 0,60 m/s vi 0,60 m/s Para o final de plano a velocidade correspondente nessa data à vazão máxima horária de um dia qualquer, não deve ser inferior a 0,90 m/s, C. Pf . q f . k 2 Qf = ----------------- (sem o coeficiente k 1 ) 86 400 vf 0,90 m/s Esses valores são os limites inferiores. Tais condições hidráulicas básicas são suficientes para ocasionarem forças capazes de provocar o arraste das partículas comuns no esgoto sanitário, como tem sido verificado na prática. Essas velocidades no entanto não devem assumir valores excessivos, que resultarão em perdas de cargas elevadas, capazes até de inviabilizar o uso de sifões invertidos. O limite superior em qualquer caso não deve ultrapassar 1,50 m/s. vmax 1,50 m/s. Disposições prévias Preliminarmente deve-se decidir o esquema do sifão, que como já foi dito deve ser o mais simples possível para evitar perdas de carga localizadas, principalmente curvas. O sifão invertido deve dispor de dois (2) tubos no mínimo, para permitir operações de desobstrução sem interromper o fluxo do esgoto sanitário. O diâmetro mínimo a adotar é o mesmo da rede coletora, por exemplo DN 100, como recomenda a NBR 9649. 40 Um estudo criterioso das vazões afluentes e sua variação crescente ao longo do intervalo de tempo doalcance do projeto é que vai definir o número de tubos necessários e seus respectivos diâmetros. Esses tubos entrarão em operação sucessivamente, acompanhando o crescimento da vazão, atendendo aos limites da perda de carga decorrentes do próprio esquema escolhido. Dimensionamento hidráulico de sifões invertidos Sendo condutos forçados, os trechos rebaixados dos sifões invertidos serão dimensionados como tais, quer para o cálculo dos diâmetros, quer para o cálculo das perdas de carga. As equações recomendadas são: 1 v 2 J = f ---- . ----- d 2g 1 v 1,85 J = 6,793 . ------- . --------- C 1,85 d 1,17 O coeficiente de atrito “ f ” pode ser determinado com maior aproximação pelo diagrama de Moody, por exemplo, mas nos casos comuns de sifões invertidos pode ser avaliado entre os limites 0,030 e 0,040 (nº de Reynolds > 10 5 e rugosidade absoluta = 2 mm). Já o coeficiente de Hazen-Williams pode ser utilizado C=100 para esses casos comuns. Do estudo populacional obtêm-se o escalonamento do crescimento das vazões em períodos iguais, por exemplo de 10 em 10 anos e daí se decide o número de tubos necessários e seus diâmetros, de modo a acompanhar o crescimento, atendendo aos limites de velocidades decididos (0,60 m/s, 0,90 m/s, 1,50 m/s). As versões tabeladas das fórmulas acima, disponíveis em diversos manuais de hidráulica (ver por exemplo AZEVEDO NETTO, 1998), facilitam a seleção dos diâmetros dos tubos e o cálculo das perdas de carga (distribuídas e localizadas). O objetivo do dimensionamento é calcular, para a configuração adotada, os diâmetros dos tubos e as perdas de carga que permitam a transposição das vazões nas condições fixadas, resultando as cotas dos níveis d’água e da soleira do tubo a jusante (ou da câmara de jusante). _______________________________________________________________________________________ EXERCÍCIO 3 - Calcular as vazões de dimensionamento de cada trecho e o sifão invertido previstos na Planta da Figura 28, preenchendo a planilha correspondente (Quadro 13), conforme orientação do professor. Fórmula Universal de perda de carga distribuida, ou Fórmula de Hazen-Williams, onde: J = perda de carga unitária (m/m) f = coeficiente de atrito v = velocidade (m/s) C = coeficiente de atrito d = diâmetro (m) g = aceleração da gravidade (m/s²) 41 Figura 28 - Planta esquemática para dimensionamento dos coletores-tronco, interceptores, emissários e sifão invertido E T E 726,100 PV-8 725,800 PV- 9 725,700 PV-11 726,300 PV-7 724,500 Trecho 2-1 L= 60,00 m Qi = 0,8 L/s Qf = 20,7 L/s Trecho 3-1 L= 65,20 m Qi = 35,5 L/s Qf = 86,0 L/s Trecho 4-1 L = 70,00 m Qi = 1,6 L/s Qf = 10,8 L/s 726,000 - TIL-14 724,500 Trecho 5-1 L = 67,80 m Qi = 38,5 L/s Qf = 75,1 L/s 725,500 – PV-10 725,100 PV-12 Trecho 8-1 L= 60,00 m Qi = 9,5 L/s Qf = 21,8 L/s Trecho 6-1 L= 70,00 m Qi = 7,8 L/s Qf = 18,5 L/s Trecho 7-1 L= 68,00 m Qi = 45,0 l/s Qf = 92,7 L/s Trecho 1-4 EMISSÁRIO L = 61,00 m; 724,900 Trecho 1-3 L= 100,00m Trecho 1-2 - L = 100,00 m Trecho 1-1 - L = 120,00 m 725,900 PV-6 725,400 PV-5 725,000 725,000 PV-4 LEGENDA: COLETORES-TRONCO INTERCETORES EMISSÁRIOS CT = 724,400 (chegada à ETE) CC = 724,300 PV-1 Trecho 1-6 EMISSÁRIO L = 50,00 m 724,300 PV-2 Trecho 1-5 SIFÃO INVERT. L = 9,00 m Cota do fundo do rio = 720,70 e NA = 722,10 Largura do rio = 6,80 m 724,900 PV-3 42 Quadro 13 - Planilha de cálculo para os coletores-tronco, interceptores, sifão invertido e emissário Trecho nº Extensão L (m) Vazões (L/s) Qi = inic. Qf = final Diâm. d0 (m) Decliv. I0 (m/m) COTAS ( m ) PROFUNDID. (m) Lâmina dágua Y/d0 (m) inicial final Velocid. esgoto (m/s) Vi =inicial vf = final Tensão trativa t (Pa) Velocid. crítica vC (m/s) Contrib. pluvial parasit. incluida OBSERV. Terreno montante Jusante Soleira montante jusante Trecho montante jusante PV de jusante Vazão final (L/s) Lâm. final Y/d0 (m) 2-1 3-1 1-1 4-1 5-1 1-2 6-1 7-1 1-3 8-1 1-4 1-5 Sifão invertido 1-6 Emissário final PSES_13.doc 43 CÁLCULO DA VAZÃO E DA VELOCIDADE À SEÇÃO PLENA Pode-se utilizar as fórmulas apresentadas no Quadro 14, para cálculo das vazões e velocidades à seção plena (Qp e vp). Para elaboração desse quadro utilizou-se as fórmulas de Manning; v = (RH 2/3 . I0 1/2 ) n e a equação da continuidade Q = v . Am, nas quais: v = velocidade do líquido (m/s); RH = raio hidráulico (m), I0 = declividade longitudinal (m/m), n = coeficiente de rugosidade da tubulação (para tubulações conduzindo esgoto, a norma recomenda adotar n = 0,013), Q = vazão (m 3 /s) e Am = área molhada (m 2 ). Quadro 14 - Fórmulas para cálculo da vazão e velocidade à seção plena (em função de d0 e I0) d0 (em mm) A partir da fórmulas gerais abaixo (em função de d0 e I0), tem-se: Qp = 23,976 . d0 8/3 . I0 1/2 vp = 30,527 . d0 2/3 . I0 1/2 100 Qp = 0,0517 . I0 1/2 vp = 6,5768 . I0 1/2 150 Qp = 0,1523 . I0 1/2 vp = 8,6181 . I0 1/2 200 Qp = 0,3280 . I0 1/2 vp = 10,4401 . I0 1/2 250 Qp = 0,5947 . I0 1/2 vp = 12,1146 . I0 1/2 300 Qp = 0,9670 . I0 1/2 vp = 13,6804 . I0 1/2 350 Qp = 1,4587 . I0 1/2 vp = 15,1611 . I0 1/2 400 Qp = 2,0826 . I0 1/2 vp = 16,5726 . I0 1/2 450 Qp = 2,8511 . I0 1/2 vp = 17,9264 . I0 1/2 500 Qp = 3,7760 . I0 1/2 vp = 19,2308 . I0 1/2 600 Qp = 6,1402 . I0 1/2 vp = 21,7163 . I0 1/2 700 Qp = 9,2620 . I0 1/2 vp = 14,0667 . I0 1/2 800 Qp = 13,2236 . I0 1/2 vp = 26,3074 . I0 1/2 900 Qp = 18,1033 . I0 1/2 vp = 28,4563 . I0 1/2 1000 Qp = 23,9760 . I0 1/2 vp = 30,5270 . I0 1/2 1200 Qp = 38,9876 . I0 1/2 vp = 34,4724 . I0 1/2 1500 Qp = 70,6893 . I0 1/2 vp = 40,0017 . I0 1/2 1800 Qp = 114,9485 . I0 1/2 vp = 45,1716 . I0 1/2 2000 Qp = 152,2381 . I0 1/2 vp = 48,4586 . I0 1/2esgoto) - nos casos em que as redes vão se tornando muito profundas pode ser necessário uma EEE, para, através de bombas de recalque, elevar o nível e recomeçar a coleta com tubulações mais rasas (ver Figura 5). TL (terminal de limpeza) - dispositivo não visitável que pode substituir o PV inicial de uma determinada rede e que permite apenas a introdução de dispositivos de limpeza. h = perda de carga yM soleira de montante NA (montante) DN soleira de jusante yj NA ( jusante) DN L Figura 5 - Esquema de estação elevatória com conjunto moto-bomba submerso - Fonte: SABESP 5 Figura 6 - Corte esquemático de um TL (sem escala) TIL (terminal de limpeza e inspeção) - dispositivo não visitável que pode substituir o PV (ver Figura 7). Permite inspeção visual e introdução de dispositivos de limpeza. Pode ser construido na reunião de coletores (até 3 entradas e 1 saída), quando não há desníveis que exijam tubos de queda e em profundidades menores que 3,00m. Figura 7 - Corte esquemático de um TIL (sem escala) nível do pavimento C O L U N A C U R V A R E D E Blocos de concreto tampao fº fº especial i = 0,60m tampão de ferro fundido nível do pavimento lastro de brita 3 + 4 laje de concreto armado Acabamento interno cimentado liso Acabamento externo chapiscado alvenaria de blocos curvos ou de 1 tijolo TIL - com profundidade máxima de 3,00m 6 CP (caixa de passagem) - trata-se de uma câmara fechada (sem acesso), que pode ser construida nas mudanças de direção, declividade, tipo de material ou diâmetro, desde que seja possível a introdução de equipamento de limpeza a jusante É comum nas ruas de grande declividade e de curvas acentuadas (ver Figuras 8 e 9). A SABESP, de modo geral, vem evitando a construção de caixas de passagem, utilizando em seu lugar um TIL. Figura 8 - Esquema de utilização das caixas de passagem – PLANTA (sem escala) geralmente em ruas de grande declividade e curvas acentuadas Figura 9 - Detalhe da caixa de passagem - CORTE (sem escala) LEGENDA: PV ou TIL CP (cx de passagem) Nível do terreno ou do pavimento Nível do coletor Tampa removível 7 CRITÉRIOS DE PROJETO DOS “SPES” A seguir são relacionadas as normas da ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas, relacionadas à coleta, transporte e tratamento do esgoto sanitário, bem como a disposição final dos resíduos resultantes do tratamento. NBR - 7.229/93 - Projeto, construção e operação de sistemas de tanques sépticos NBR - 7.367/88 - Projeto e assentamento de tubulações de PVC rígido para sistemas de esgoto sanitário. NBR - 9.648/86 - Estudo de concepção de sistemas de esgoto sanitário NBR - 9.649/86 - Projeto de redes coletoras de esgoto sanitário NBR - 9.800/87 - Critérios para o lançamento de efluentes líquidos industriais no sistema coletor público de esgoto sanitário NBR - 9.814/87 - Execução de rede coletora de esgoto sanitário NBR - 10.004/87 - Resíduos sólidos - Classificação NBR - 10.005/87 - Lixiviação de resíduos - Procedimento NBR - 10.006/87 - Solubilização de resíduos NBR - 10.007/87 - Amostragem de resíduos PN - 2:09:60 - Aterros de resíduos perigosos - Critérios para projeto, construção e operação NBR - 12.207/89 - Projeto de interceptores de esgoto sanitário NBR - 12.008/89 - Projeto de estações elevatórias de esgoto sanitário NBR - 12.209/2011 - Projeto de estações de tratamento de esgoto sanitário NBR – 12.587/92 - Cadastro de sistema de esgotamento sanitário Além das normas acima listadas, deve-se atender ainda eventuais especificações ou normas da CETESB ou mesmo normas mais restritivas das próprias companhias responsáveis pelo saneamento das cidades; no caso do Estado de São Paulo, a SABESP ou os Departamentos e Companhias Autônomas de Água e Esgoto das localidades não conveniadas com a SABESP. Um ítem importante a ser lembrado, segundo a norma 9648/86, é: “A delimitação da área de planejamento, bem como de suas bacias contribuintes, deve obedecer às condições naturais do terreno, desconsiderando a divisão política-administrativa”. Traçado da rede coletora - planta topográfica: A planta topográfica deve ser apresentada em escala conveniente (mínimo 1:2.000), e indicar ao menos o arruamento, as curvas de nível, as cotas de pontos característicos (cruzamento de ruas), os talvegues, a rede eventualmente existente, os cursos d’água ou outros locais para descarga do esgoto coletado além das eventuais interferências ao caminhamento dos coletores (redes e adutoras de água de abastecimento, redes e galerias de águas pluviais, redes elétricas, redes telefônicas, etc). Sobre a planta deve-se indicar: - a área a ser esgotada; - áreas de expansão futura; - pontos de contribuições singulares significativos (prédios, indústrias, escolas, hospitais). 8 Seguindo o traçado das ruas e as declividades naturais do terreno, indicam-se os trechos de coletores e seu sentido de escoamento, limitando-os com os respectivos órgãos acessórios (P.V.s, P.I.s, C.P.s, T.L.s), adequados a cada situação, respeitando-se a distância máxima entre eles (de 100m, por exemplo). A escolha do traçado da rede coletora deve ser dividida em duas partes. A primeira diz respeito aos grandes condutos - coletores troncos e interceptores e é determinada pela conformação da rede à malha viária e à topografia da área do projeto, com as vertentes dos eventuais cursos d’água urbanos. Ás margens destes são previstos interceptores, quando não são admitidas descargas diretas nos mesmos. A partir do interceptor são identificados os talvegues nas vertentes. O talvegue é a linha que divide os planos de duas encostas por onde escoam as águas naturais e aí, segundo o traçado das ruas, são localizados os coletores tronco. São comuns as seguintes conformações do que poder-se-ia chamar de rede principal: perpendicular – quando os talvegues em direção ao corpo d’água são regularmente espaçados e relativamente próximos resultando coletores tronco de curta extensão (Fig. 10) . Figura 10 - Conformação esquemática de coletores-tronco e interceptores – tipo perpendicular A conformação da Figura 10 também ocorre quando os talvegues não são bem definidos, a vertente do curso d’água é mais regular e os coletores tronco dependem apenas do traçado viário. Longitudinal – quando o núcleo urbano se desenvolve principalmente ao longo do curso d’água, com traçado viário favorável à implantação de condutos de maior extensão (Fig. 11). Fig. 11 - Conformação esquemática de coletores-tronco e interceptores - tipo longitudinal interceptor Coletores tronco 100 90 80 100 90 80 Coletores tronco interceptor 9 Em leque – quando a topografia é bastante irregular, com o traçado viário de grandes declives, configurando diversas sub-bacias de esgotamento convergentes(Fig. 12). Fig. 12 - Conformação esquemática de coletores-tronco e interceptores - tipo leque distrital (radial) – quando a topografia apresenta baixas declividades e para evitar excessiva profundidade dos condutos, divide-se a área de projeto em distritos, com pontos de concentração dotados de elevatórias que promovem o transporte do esgoto para o lançamento ou tratamento (Fig. 13). É o arranjo típico de grandes cidades litorâneas como Santos ou Guarujá em São Paulo. Fig. 13 - Conformação esquemática de coletores-tronco e interceptores - tipo distrital Uma vez decidido o traçado preliminar do transporte e do afastamento do esgoto, importa agora tratar da coleta propriamente dita, ou seja o traçado das redes coletoras de esgoto que serão interligadas aos coletores tronco. Dentro de cada uma das sub-bacias, determinadas pelo traçado dos coletores tronco, algumas decisões precedem o traçado das redes coletoras de esgotos, vinculadas à posição do coletor na seção transversal de via pública. Coletores tronco interceptor EE EE Coletores tronco INTERCEPTOR EMISSÁRIO EMISSÁRIO 10 rede simples / rede dupla – em geral o sentido de economia global no empreendimento conduz a considerar o caso normal como sendo o de uma única tubulação atendendo aos dois lados da rua. Algumas situações no entanto devem ser consideradas, as quais levam à adoção de rede dupla visando menor custo das ligações prediais e facilidade de manutenção e reparação; são elas: - vias de tráfego intenso; - vias com largura entre alinhamentos superior a 14,00m; - vias com interferências que inviabilizam a execução de ligações prediais ou do próprio coletor; - quando o diâmetro do coletor é igual ou superior a DN 400 e são usados tubos de concreto que não recebem ligações prediais; - quando a profundidade do coletor excede 4,00m, inviabilizando ligações prediais. Profundidades mínima e máxima – são importantes fatores limitantes do traçado da rede coletora. A norma brasileira NBR-9649 limita a profundidade mínima ao fixar o recobrimento mínimo – altura entre o nível da superfície e o da geratriz superior externa do tubo – em 0,65m quando o coletor é assentado no passeio e em 0,90m para coletor assentado no leito de tráfego. Esses limites dizem respeito à proteção da tubulação contra as cargas externas atuando na superfície do terreno. A profundidade mínima a ser adotada para cada coletor está vinculada às ligações prediais que devem ser atendidas, o que exige o levantamento das cotas das soleiras baixas – em nível inferior ao do pavimento da rua – existentes em cada trecho. A NBR-9649 recomenda que “a rede coletora não deve ser aprofundada para atendimento de economia com cota de soleira abaixo do nível da rua ”. Nos casos de atendimento considerado necessário, devem ser feitas análises da conveniência do aprofundamento, considerados seus efeitos nos trechos subseqüentes e comparando-se com outras soluções. Isso implica em cuidadoso estudo de custos, considerando algumas opções de profundidade mínima comparadas com as porcentagens de atendimento que permitem. Por exemplo, podem ser comparados: - Profundidade miníma - % atendimento – acréscimo de custo: como os custos são razoavelmente homogêneos em uma mesma sub-bacia, a análise criteriosa de alguns poucos trechos já fornecem parâmetros para decisões mais rápidas nos demais trechos. Fig. 14 - Esquema de cálculo da profundidade do coletor público para atender soleiras baixas hc h = desnível da soleira baixa hc = altura da caixa de inspeção C.I. I.L I = declividade do coletor predial L = distância ao coletor de esgoto a = altura entre o coletor predial e o coletor de esgoto (Quadro 2) L C.I soleira baixa I coletor de esgoto eixo da rua Cota do coletor 11 Quadro 2 - Valores usuais de “ a “ e de “ I ” para atender soleiras baixas COLETOR DE COLETOR PREDIAL ESGOTO DN DN 100 I = 2 % DN 150 I = 0,7 % DN 200 I = 0,5 % 100 0,34 ------ ----- 150 0,39 0,47 ----- 200 0,44 0,52 0,56 300 0,54 0,62 0,66 400 0,64 0,72 0,76 450 0,69 0,77 0,81 Obs.: Calculado para tubos cerâmicos admitindo uma curva de 90º + (tee ou selim) Conforme Figura 14 e Quadro 2, a profundidade p a adotar resulta de: p = h + hc + I . L + a As profundidades mínimas recomendadas para os casos de soleiras normais situam-se na faixa de 0,90m a 1,60m, conforme a localização do coletor – no passeio, no terço da via adjacente ao lote, no eixo da via (incomum) ou no terço oposto. Quanto à profundidade máxima, o fator limitante é o custo de implantação tanto de coletores de esgoto como das ligações prediais. É freqüente a indicação de 4,00m como limite de aprofundamento da rede. Valores maiores necessitam de justificativa técnica e da execução de coletores auxiliares para receber as ligações prediais sem onerar-lhes o custo. redes com ramais coletivos (coletores auxiliares) – é um tipo de traçado alternativo para diminuição dos custos de implantação (Fig. 15). Trata-se de conduzir a rede principal apenas por algumas ruas; nas quadras contíguas são construídos os ramais coletivos nos passeios, com recobrimento de 0,65m e DN 100, esgotando as economias. Os ramais coletivos devem ter comprimento máximo de 200m. Figura 15 - Esquema de rede com ramais coletivos T L T I L T I L T L T L T I L P V P V Ramais coletivos DN 100 Ramais coletivos DN 100 COLETORES DE ESGOTO 12 rede condominial – é um outro tipo de traçado alternativo visando economia na implantação da rede coletora (Fig. 16). Como o próprio nome diz, na rede condominial estabelece-se um condomínio, formal ou informal, entre os moradores de uma mesma quadra e constrói-se internamente aos lotes, na frente ou nos fundos, uma rede de ramais interligados, com caixas de inspeção em cada lote onde são recebidas as contribuições domiciliares. Essa rede interna é ligada a um coletor de esgoto externo no local mais conveniente da quadra. A execução das obras, sua manutenção e operação é responsabilidade dos próprios condôminos, respondendo cada um pelo trecho situado em seu lote. A concessionária da rede pública externa fornece assistência técnica e social, tanto para a construção, como para o bom entendimento das obrigações condominiais. Construída em locais protegidos, a rede condominial pode ter recobrimento bastante reduzido, até cerca de 0,30m, resultando custos de implantação também reduzidos. É uma solução bastante interessante principalmente para aquelas quadras onde os lotes tem caimento para os fundos, o que resultaria numa rede convencional muito profunda. Figura 16 - Esquema de rede condominial Identificação dos órgãos acessórios da rede - na planta : Feita a escolha do traçado mais conveniente, em cada PV ou PI devem ser indicadas as eventuais “pontas secas”, as canaletas de fundo necessárias para o escoamento, podendo os mesmos comportarem várias entradas, mas uma única saída. A indicação das canaletas é que irá determinar o sentido do escoamento. Em seguida devem ser QUADRA Rua das Acácias Rua das Azaléas PV ou TIL Coletor de esgoto Coletor condominial Caixa de Inspeção LEGENDA: R u a d a s R o s a s 13 identificados os coletores e seus respectivos trechos, denominando, por exemplo, com o número“1” o coletor principal, aquele de maior extensão na bacia. Outros coletores devem receber números seqüenciais, na mesma ordem em que chegam ao coletor principal. Dessa forma os números maiores estarão sempre contribuindo para números menores. Os trechos entre os órgãos acessórios também devem receber numeração seqüencial crescente de montante para jusante (ver FIGURA 17). Os órgãos acessórios devem ser também numerados (Ex.: TL-1, PV-1, etc). TL-07 TIL-11 TIL-15 TIL-05 TIL-09 TIL-13 TIL-03 TIL-02 Figura 17 - Exemplo de traçado da rede de esgoto sanitário - em planta (sem escala) 1-1 60m 1-2 60m 1-3 60m 1-4 60m 1-5 (80m) 2-1 60m 1-6 (80m) 2-2 60m 2-3 60m 2-4 60m 3-1 60m 3-2 60m 3-3 60m 3-4 60m 24 lotes de 10x40m casas térrreas e sobrados dens. pop. 40 a 150 hab/ha 24 lotes de 10x40m casas térreas e sobrados dens. pop. 40 a 150 hab/ha 12 lotes de 20x40m (edifícios até 20 andares) Dens. pop. 100 a 600 hab/ha 12 lotes de 20x40m (edifícios até 20 andares) Dens. pop. 100 a 600 hab/ha PV-7 (existente) Rua “A” Rua “B” Rua “C” Rua “D” Rua “E” Rua “F “ Q c,f = 5,0 L/s Q c,f = 3,7 L/s Q c,f = 2,8 L/s Q c,f = 4,2 L/s 729,300 729,100 728,700 727,900 728,00 728,700 728,100 727,100 727,050 727,600 726,950 726,700 727,100 726,800 726,800 726,300 726,30 724,50 726,30 TIL-04 TIL-08 TIL-12 TIL-06 TIL-10 TIL-14 14 Perfil longitudinal O perfil longitudinal de cada trecho é apresentado normalmente em papel milimetrado, utilizando-se escalas deformadas (mínimo 1:2.000 na horizontal e 1:200 na vertical) e visa a facilitar o entendimento do projeto. No perfil deverão constar: - o estaqueamento de 20 em 20m (feito de jusante para montante), para cada trecho; - o perfil longitudinal do terreno, com as respectivas cotas nos pontos de inserção dos órgãos acessórios; - a cota do coletor (geratriz inferior interna da tubulação), em cada chegada ao órgão acessório e também na saída (normalmente é adotada cota igual à da chegada mais profunda); - os tubos de queda, onde necessários (nas chegadas de coletores com degraus maiores do que 0,50m em relação ao fundo do PV ou PI); - a profundidade do coletor (diferença entre a cota do terreno e a cota do coletor) em cada órgão acessório. Recomenda-se uma profundidade mínima de 1,10 m (em relação à geratriz inferior interna do tubo), para possibilitar as ligações prediais e proteger os tubos contra cargas externas, quando este tiver diâmetro até 200 mm e estiver situado no terço médio das ruas. A profundidade máxima está relacionada com a economia do sistema, tendo-se em conta não somente as condições de execução mas também a de manutenção, tanto da rede pública quanto dos ramais prediais. A profundidade máxima de 4,00 m é normalmente um bom indicativo, que pode ser ultrapassado em trechos relativamente curtos, com a finalidade de se evitar instalações de recalque. Deve-se ter em mente que o custo das redes coletoras de esgoto crescem exponencialmente com a profundidade de assentamento; - o nome da rua em que está situado cada trecho; - o diâmetro do coletor em cada trecho; - as profundidades para permitir o atendimento de ligações prediais de soleiras baixas. Essa profundidade é determinada apenas para os lotes com caimento para o fundo (desfavoráveis), conforme visto anteriormente. Parâmetros limites e valores de projeto. Os principais parâmetros que comparecem no dimensionamento hidráulico das redes coletoras de esgoto sanitário são: População (P, hab) – é o principal parâmetro para o cálculo das vazões de esgoto doméstico; já as parcelas de águas de infiltração e de esgoto industrial, que também compõe o esgoto sanitário, independem do mesmo. Devem ser consideradas as populações atuais, de ínicio do plano, e as futuras, de fim de plano, estimadas para o alcance do projeto – ano previsto para o sistema projetado passar a operar com utilização plena de sua capacidade. Os métodos demográficos utilizados na determinação desses valores não serão tratados nesta apostila, mas se encontram disponíveis na literatura técnica de demografia. Além das populações totais da área do projeto, interessa também o conhecimento de sua distribuição no solo urbano, que deve ser dividido em áreas de ocupação homogênea, determinando-se para elas as respectivas “densidades populacionais” (d, hab/ha), também para o início e final de plano. 15 16 No quadro 3 são apresentados alguns valores recomendados para projeto, conforme zonas de ocupação homogênea. Em casos específicos é necessário também considerar as populações flutuantes e temporárias, conforme definidas na norma brasileira NBR 9648/1986. Quadro 3 – Densidades populacionais e extensões médias de ruas (na RMSP) Características urbanas dos bairros (ocupações homogêneas) Densidade demográ- fica de saturação (hab/ha) Extensão média de arruamento (m/ha) I. Bairros residenciais de luxo com lote padrão de 800 m 2 . II. Bairros residenciais médios com lote padrão de 450 m 2 . III. Bairros mistos populares com lote padrão de 250m 2 . IV. Bairros misto residencial-comercial da zona central, com predominância de prédios com 3 a 4 pavimentos. V. Bairros residenciais da zona central com predominância de edifícios de apartamentos com 10 a 12 pavimentos. VI. Bairros misto residencial-comercial e industrial da zona urbana, com predominância de comércio e indústrias artesanais e leves. VII. Bairros comerciais da zona central com predominância de edifícios de escritórios 100 120 150 300 450 600 1 000 150 180 200 150 150 150 200 Obs.: hab = nº de habitantes e ha = hectare = 10 000 m 2 Recomendações da antiga SAEC (atual Sabesp) para projetos, coligidas por M.Tsutiya e P. A. Sobrinho Fonte: Azevedo Netto et. al., 1998 Coeficiente de retorno ( C ) – é a relação média entre os volumes de esgoto produzido e água efetivamente consumida. Entende-se por consumo efetivo aquele registrado na micromedição da rede de distribuição de água descartando-se, portanto, as perdas do sistema de abastecimento. Parte desse volume efetivo não chega aos coletores de esgoto pois conforme a natureza do consumo perde-se por evaporação, infiltração ou escoamento superficial – por exemplo, lavagem de roupas, regas de jardins, lavagem de pisos ou de veículos. Por outro lado é conveniente a investigação a respeito de outras fontes de abastecimento de água, poços freáticos por exemplo, que podem elevar o volume de esgoto produzido até mesmo acima do volume registrado nos hidrômetros, caso de indústrias, hospitais e outros contribuintes singulares. A norma brasileira NBR 9649/86 recomenda o valor C = 0,80 quando inexistem dados locais oriundos de pesquisas. Quadro 4 – Coficientes de retornomedidos ou recomendados para projeto Autor Local Ano Coeficiente de retorno Condição de obtenção dos valores José A. Martins São Paulo 1977 0,7 a 0,9 Recomendações para projeto Azevedo Netto São Paulo 1981 0,7 a 0,8 Recomendações para projeto NBR 9649-ABTN Brasil 1986 0,8 Recomendações para projeto Luis P. Almeida Neto Gilberto O. Gaspar João B. Comparini & Nelson L. Silva Cardoso, Guarani D’ Oeste e Valentim Gentil (Est. de S. Paulo) 1989 0,35 a 0,68 Medições em sistemas operando há vários anos SABESP São Paulo 1990 0,85 Recomendações para projeto – Plano Diretor de Esgotos da Região Metropolitana de São Paulo 17 Quadro 4 – Coeficientes de retorno medidos ou recomendados para projeto - continuação Autor Local Ano Coeficiente de retorno Condição de obtenção dos valores João B. Comparini Cardoso, Pedranó- polis, Guarani D’ Oeste e Indiaporã (Est. de São Paulo) 1990 0,42 a 0,73 Medições em sistemas operando há vários anos Milton T. Tsutiya & Orlando Z. Cassetari Tatuí (Est. de São Paulo) 1995 0,52 a 0,84 Medições em sistemas operando há vários anos Steel EUA 1960 0,7 A 1,3 Para as condições norte- americanas Fair, Geyer & Okun EUA 1968 0,6 a 0,7 Recomendações para projeto Metcalf & Eddy Inc. EUA 1981 0,7 Recomendações para projeto Fonte : Tsutiya, M. T. e Alem Sobrinho, P., 1999 Taxa ”per capita” (q, L/hab.dia) – a taxa ”per capita” de contribuição de esgoto nada mais é senão o produto do coeficiente de retorno pela taxa “per capita” de consumo de água escoimada da parcela relativa a perdas. Esse consumo, assim corrigido, é denominado “consumo efetivo per capita”. Este é extremamente variável, não só de cidade ou região para outras, como também entre zonas da mesma cidade, tendo fatores influentes ligados à cultura, à saúde, ao nível social e outros aspectos da população, mas também relativos à região, ao clima, à hidrografia, e ainda ao serviço de abastecimento de água local, inclusive quanto à existência ou não de medição da água distribuída. Medições efetuadas no Estado de São Paulo revelaram os seguintes valores de ”consumo efetivo per capita”. Quadro 5 - Consumo efetivo de água (dados da SABESP, 1986) Região População Valores extremos Média ponderada - 10 bacias (São Paulo – capital) 3 024 000 hab 127 a 194 L/hab.dia 165 L/hab.dia - 10 cidades (RMSP) 633 000 hab 125 a 188 L/hab.dia 136 L/hab.dia - 15 cidades (São Paulo – interior) 1 080 196 hab 124 a 184 L/hab.dia 166 L/hab.dia Fonte : Azevedo Netto et. al 1998 Coeficientes de variação de vazão ( k1, k2 e k3 ) – o escoamento da parcela de esgoto doméstico, que compõe o esgoto sanitário, não se comporta de forma regular, pois como a água de consumo doméstico está sob comando direto do usuário, variando a vazão conforme as demandas sazonal, mensal diária e horária, é influenciado por diversos fatores – clima, jornada de trabalho, hábitos da população, etc. As variações mais significativas são as diárias e as horárias, representadas respectivamente pelos coeficientes abaixo – os mesmos do sistemas de abastecimento: - k1 - coeficiente do dia de maior demanda – é a relação entre a maior demanda diária ocorrida em um ano e a vazão diária média desse ano; - k2 - coeficiente da hora de maior demanda – é a relação entre a maior demanda horária ocorrida em um dia e a vazão horária média desse dia; Em alguns casos, como no dimensionamento hidráulico das estações de tratamento de esgoto (ETE’s) há interesse em se avaliar a mínima vazão horária e então é definido um terceiro coeficiente: - k3 - coeficiente da hora de demanda mínima – é a relação entre a mínima demanda horária ocorrida em um ano e a demanda horária média desse ano. 18 O quadro 6 mostra alguns valores pesquisados e valores recomendados para projetos. A norma brasileira recomenda, na inexistência de dados locais oriundos de pesquisas, os seguintes valores: k1 = 1,2 k2 = 1,5 k3 = 0,5 Quadro 6 – Coeficientes de variação da vazão de esgotos sanitários Autor Local Ano Coeficientes de variação da vazão Condições de obtenção K1 K2 K3 dos valores José A. Martins São Paulo 1977 1,25 1,5 0,5 Recomendações para projeto Dario P. Bruno & Milton T. Tsutiya Cardoso, Fernandópo- lis, Lucélia e Pinhal (Est. de São Paulo) 1983 (*) 1,43 a 1,96 0,11 a 0,27 Medições em sistemas operando a vários anos NBR-9649 - ABNT Brasil 1986 1,2 1,5 0,5 Recomendações para projeto CETESB Itapema (Est. de São Paulo) 1986 (*) 1,6 (*) Medições em sistemas operando a vários anos João B. Comparini Cardoso, Indiaporã, Guarani D’Oeste e Pedranópolis (Est. de São Paulo) 1990 1,15 a 1,53 1,45 a 2,55 0,03 a 0,21 Medições em sistemas operando a vários anos Milton T. Tsutiya & Orlando Z. Cassettari Tatuí (Est. de São Paulo) 1995 (*) 1,57 a 2,23 0,11 a 0,51 Medições em sistemas operando a vários anos OBS.: (*) Valores não medidos Fonte: Tsutiya, M. T. e Além Sobrinho, P.,1999 Vazões de esgoto, contribuições e taxas A vazão de esgoto sanitário ( Q ) compreende as seguintes parcelas: Q = Qd + I + Qc (Eq. 1), sendo que: Qd = vazão de esgoto doméstico, I = vazão de água de infiltração e Qc = vazão de contribuição concentrada, esta última oriunda de áreas cujas contribuições são significativamente maiores que as resultantes da simples aplicação da taxa de contribuição por área esgotada. Referem-se às áreas ocupadas por hospitais, educandários, quartéis, indústrias e outros. Também as áreas de expansão da rede coletora podem ser previstas, comparecendo na vazão de final de plano, como contribuições concentradas. A contribuição de esgoto doméstico ( Qd ) é aquela parcela vinculada à população servida, cuja contribuição média anual é expressa pelas equações: - Vazão média inicial ( L/s ) _ C . Pi . qi Qd, i = -------------- (Eq. 2) 86 400 _ C . ai . di . qi Qd, i = ------------------- (Eq. 3) 86 400 19 - Vazão média final ( L/s ) _ C . Pf . qf Qd, f = ---------------- (Eq. 4) 86 400 _ C . af. df . qf Qd, f = ------------------- (Eq. 5) 86 400 nas quais: C = coeficiente de retorno; Pi e Pf = população inicial e de final de plano ( hab ); ai e af = área servida inicial e de final de plano ( ha ); di e df = densidade populacional inicial e de final de plano (hab/ha); qi e qf = consumo de água efetivo inicial e de final de plano (L / hab.dia). Compondo as parcelas indicadas na equação 1, calculam-se as vazões de esgoto sanitário, aplicando-se, onde couberem, os coeficientes de variação (do dia de maior demanda k1 e da hora de maior demanda k2) : - Vazão inicial ( L/s ) _ Qi = k 2 . Qd,i + I + Qc, i (Eq. 6) - Vazão final ( L/s ) Qf = k 1 . k 2 . Qd,f + I + Qc,f (Eq. 7) Observa-se na equação 6, que não é aplicado o coeficiente k1, pois se busca uma vazão inicial freqüente (também chamada de vazão máxima de um dia qualquer). Como se verá adiante, essa vazão é utilizada na verificação das condições de auto limpeza da canalização. As taxas de cálculo ou vazões de dimensionamento são as equações8a, 9a, 10a e 11a. Caso a infiltração seja considerada uniforme na área de projeto, pode ser adotada uma taxa TI (L/s.ha) ou TI ( L/s.m ), e então as taxas de cálculo são as equações 8b, 9b, 10b e 11b. - Taxa, por área esgotada ( L/s . ha ) Qi - Qc , i k2 . Qd , i Ta,i = ----------------- (Eq. 8a) Ta,i = ---------------- + TI (Eq. 8b) a i a i 20 Qf - Qc ,f k1 . k2 . Qd , f Ta,f = ---------------- (Eq. 9a) Ta,f = ---------------- + TI (Eq. 9b) a f a f - Taxa linear, por metro de tubulação ( L/s . m), com L* = L / a (Quadro 4.3) Qi - Qc , i k2 . Qd , i Tx,i = -------------------- (Eq. 10a) Tx,i = ----------------- + TI (Eq. 10b) Li L*i . a i Qf - Qc ,f k1 . k2 . Qd,f Tx,f = -------------------- (Eq. 11a) Tx,f = -------------------- + TI (Eq. 11b) Lf L*f . a f Nas quais: - ai e af são respectivamente as áreas esgotadas: inicial e final - Li e Lf são respectivamente os comprimentos totais de tubulação inicial e final - L*i e L*f são respectivamente Li / ai e Lf / af As condições hidráulicas exigidas O esgoto sanitário, além de substâncias orgânicas e minerais dissolvidas, leva também substâncias coloidais e sólidos de maior dimensão, em mistura que podem formar depósitos nas paredes e no fundo dos condutos, o que não é conveniente para o seu funcionamento hidráulico, ou seja, para o escoamento. Assim, no dimensionamento hidráulico deve-se prover condições satisfatórias de fluxo que, simultaneamente, devem atender aos seguintes quesitos: - transportar as vazões esperadas, máximas (caso das vazões de fim de plano Qf ), e mínimas (que são as de início de plano Qi ); - promover o arraste de sedimentos, garantindo a auto-limpeza dos condutos; - evitar as condições que favorecem a formação de sulfetos HS - (anaerobiose séptica) e a formação e despreendimento do gás sulfídrico (condições ácidas). O gás sulfídrico, em meio úmido, origina o ácido sulfúrico. Esse ácido age destruindo alguns materia is de que são feitos os condutos (o concreto por exemplo), além de causar desconforto em razão de seu cheiro ofensivo. O dimensionamento hidráulico consiste pois em se determinar o diâmetro e a declividade longitudinal do conduto, tais que satisfaçam essas condições. Outras condições que comparecem no dimensionamento hidráulico decorrem de vazões instantâneas devidas às descargas de bacias sanitárias, muitas vezes simultâneas; são elas: 21 - máxima altura da lâmina d’água para garantia do escoamento livre, fixada por norma em 75% do diâmetro, para as redes coletoras; - mínima vazão a considerar nos cálculos hidráulicos, fixada em 1,5 L/s ou 0,0015 m 3 /s; O cálculo do diâmetro A equação de Manning com n = 0,013 permite o cálculo do diâmetro para satisfazer a máxima vazão esperada ( Qf ) que atende ao limite y = 0,75 do . A expressão para se determinar esse diâmetro é a seguinte: do = 0,3145 . (Qf / Io 1/2 ) 3/8 (equação 12) Nessa expressão deve-se entrar com a vazão em (m 3 /s), resultando o diâmetro em (m), ajustado para o diâmetro comercial (DN) mais próximo (em geral, adota-se o valor imediatamente acima do calculado). As declividades mínima e econômica A determinação da declividade está vinculada a dois conceitos: a autolimpeza ou arraste de sedimentos e a economicidade do investimento, direta e fortemente ligada às profundidades de assentamento dos condutos. Esses conceitos definem duas declividades: - a declividade mínima: que deve garantir o deslocamento e o transporte dos sedimentos usualmente encontrados no fluxo do esgoto, promovendo a autolimpeza dos condutos, em condições de vazões máximas de um dia qualquer, no início de plano (Qi ); - a declividade econômica: que deve evitar o aprofundamento desnecessário dos coletores, fixando a profundidade mínima admitida no projeto, na extremidade de jusante do trecho considerado; a profundidade da extremidade de montante já é pré- determinada pelas suas condições específicas, ou seja, pode ser um início de coletor e portanto tem profundidade mínima, ou sua profundidade já estaria fixada pelos trechos afluentes já calculados. Do confronto entre ambas as declividades, adota-se a maior delas. O critério da tensão trativa Considerando-se que a grandeza hidrodinâmica que promove o repouso ou o movimento das partículas é a tensão de arraste, exercida pela força tangencial atuante sobre a parte molhada do conduto e que é a componente tangencial do peso do volume do líquido, contido entre duas seções transversais distanciadas de um certo comprimento L (ver Fig. 18). Antigamente fixava-se uma determinada velocidade mínima de fluxo e uma determinada altura de lâmina para evitar sedimentação de sólidos. Sabe-se hoje que a simples fixação da velocidade do fluxo a uma certa altura de lâmina não garante a auto limpeza no caso de diâmetros grandes, pois mantidos constantes esses parâmetros, a tensão de arraste (tensão trativa) diminui com o aumento do diâmetro. Em razão disso a SABESP decidiu-se pela adoção do critério da tensão trativa, também adotado pela ABNT com a edição da norma NBR 9649/1986. A tensão trativa é definida como a força tangencial unitária aplicada às paredes do coletor pelo líquido em escoamento. Sua equação é deduzida de forma análoga à pressão de um sólido que desliza sobre um plano inclinado. 22 Figura 18 - Desenho esquemático para cálculo da tensão trativa F = peso do volume de líquido contido num trecho de comprimento L, expresso por: F = . Am . L e a sua componente tangencial é T = F . sen ou T = . Am . L . sen A tensão trativa ( ) por sua definição é : T . Am . L. sen = --------- = --------------------------- = . RH . sen Pm . L Pm . L Como é um ângulo sempre muito pequeno, sen tg = I0 (declividade do conduto) e assim finalmente, pode-se escrever: (equação 13 ) A norma NBR-9 649/1986 recomenda o valor mínimo = 1,0 Pa, adequada para garantir garantir o arraste de partículas de até 1,0 mm de diâmetro, freqüentes no fluxo de esgotos de cidades litorâneas. Já o valor recomendado para o coeficiente de Manning é n = 0,013, independentemente do material dos tubos, em razão das múltiplas singularidades ocorrentes na rede coletora. A declividade mínima Declividade mínima é aquela que, para condições iniciais de vazão (QI ), atende à equação13 para = 1,0 Pa. A operacionalidade, para evitar uma seqüência de cálculos iterativos, foi conseguida através da seguinte simplificação: - adotou-se a variação de (y/d0) de 0,20 a 0,75 e com as equações do Quadro 7, calcularam-se inicialmente os valores correspondentes de ( ) e depois os valores de ( Am/ d0 2 ) e ( RH /d0 ); onde: = peso específico do líquido; Am = área molhada da seção transversal onde : Pm = perímetro molhado RH = raio hidráulico Am F T = . RH . I 0 L Am Pm 23 Quadro 7 - Principais relações trigonométricas da seção circular (ângulo em radianos) = 2 arc cos [ 1 - ( 2 y / D)] y/D = 0,5 . (1 - cos /2) Am/D 2 = ( - sen ) / 8 RH/D = ( - sen ) / 4 Am/y 2 = ( - sen ) / 4 (1 - cos /2) RH/y = ( - sen )/ 2 (1-cos /2) - em seguida adotou-se a variação de (d0) segundo a seqüência dos diâmetros comerciais a partir de 100mm, calculando-se os respectivos valores de declividade e vazão vinculados à variação de (y/d0), com as equações: I0 = ----------- (m/m) com = 1,0 Pa e = 9,8 x 10 3 N/m 3 10 N/m 3 RH . Am Q = ------------ . RH 2/3 . I0 1/2 . 10 3 (L/s) (Fórmula de Manning) 0,013 Os valores de ( Q ) e ( I0 ) assim obtidos, dispostos em gráfico bi-logarítimico resulta, em um feixe de curvas de fraca curvatura correlacionadas a uma única reta (Figura 19) que podem ser representadas pela seguinte equação: (equação 14 ) I0 em m/m e Qi em L/s Na Figura 19, a região acima da reta mostra as tensões trativas superiores ao limite de = 1,0 Pa, com auto-limpeza do conduto garantida. Figura 19 - Gráfico de vazões x declividade mínima para = 1,0 Pa A proposta de uso de valores menores para n e , gerando retas paralelas à da Figura 20 em posição inferior, não é comprovada na prática de implantação de redes coletoras, pois não têm tido aplicação em obras já que se aproximam em demasia do limite prático de declividade I0 = 0,0005 m/m (0,05%), para o qual já não existe precisão na execução da obra. A metodologia aqui discutida é utilizada há quase 20 anos com pleno sucesso de resultados, atestados pelas inúmeras obras implantadas sob tais critérios. Além disso, é bom também lembrar que é justamente nas cidades litorâneas, onde o fluxo de esgoto I0 mín = 0,0055 . Qi – 0,47 I0min = 0,0055. Qi -0,47 0,0001 0,0010 0,0100 1,0 10,0 100,0 VAZÃO (L/s ) D EC LI VI D A D E I ( m /m ) 24 conduz partículas de areia com maior freqüência, que na maioria das vezes as declividades mínimas predominam, superando as declividades econômicas, o que desaconselha a adoção de tensões trativas menores nos cálculos. O procedimento para dimensionamento do conduto O dimensionamento de um trecho de coletor consiste em se determinar os valores do diâmetro e da declividade a partir das vazões Qi e Qf calculadas conforme exposto anteriormente. A seqüência de cálculos é a seguinte: - geometricamente calcula-se a declividade econômica ( I0, ec. ) que traduz o menor volume de escavação, fazendo com que a profundidade do coletor a jusante seja igual à (hmin.) profundidade mínima adotada. A profundidade do coletor já é pré determinada em razão das condições de montante (início de coletor ou profundidade de jusante de trecho anterior); h = cota coletor de montante - (cota do terreno de jusante - hmin) I0, ec. = h / L Fig. 20 - Esquema para cálculo da declividade econômica ( I0, ec. ) - calcula-se a declividade mínima (I0 mín) com a equação 14 ( = 1,0 Pa para Qi ); - das duas declividades ( I0 ec. e I0 mín ), adota-se a de maior valor e tem-se I0 ; - com I0 e Qf calcula-se o diâmetro ( d0 ) utilizando-se a equação 12, abaixo novamente reproduzida, que tem origem na equação de Manning com n = 0,013 e y/d0 = 0,75 (enchimento máximo da seção transversal do coletor). Qf 3/8 d0 = 0,3145. -------- I0 1/2 d0 em m, Qf em m 3 /s e I0 em m/m O diâmetro adotado deve ser o diâmetro comercial (DN) com valor mais próximo do calculado pela equação 12, geralmente o valor superior. Tanto a vazão Qi quanto Qf são inferiormente limitadas a 1,5 L/s ou 0,0015 m 3 /s (descarga de uma válvula de vaso sanitário). onde: cota do terreno cota do terreno L cota do coletor hmin cota do coletor h 25 O arraste de ar e a velocidade crítica A norma brasileira vigente, NBR 9649/1986, mantém ainda a prescrição de uma declividade máxima admissível para a qual se tenha a velocidade final vf = 5,0 m/s, a qual pode ser calculada pela expressão 15 (que resulta num valor aproximado), I0 = 4,65 . Qf -2/3 (Qf em L/s) (Eq. 15) Esse e outros limites recomendados, devem-se a preocupação com os danos à tubulação que possam advir da abrasão de partículas duras (areia) e conseqüente erosão do material dos tubos. No entanto a literatura técnica não acusa a ocorrência de tais danos, seja em dutos em operação, seja em pesquisas realizadas para observar tais efeitos (Tsutiya e Alem Sobrinho, 1999). São portanto de outra natureza as preocupações com dutos de acentuada declividade, adequados para reduzir o custo de assentamento em encostas íngremes, pois dispensa degraus, tubos de queda e poços de visita sucessivos, obrigando no entanto a um assentamento mais robusto e eventuais ancoragens em pontos de transição, bem como o estudo da incorporação de ar no escoamento. A esse respeito a norma brasileira NBR 9649 prescreve: "quando a velocidade final ( vf ) é superior à velocidade crítica ( vc ), a maior lâmina admissível ( y ) deve ser 50% do diâmetro do trecho. A velocidade crítica é definida por:" vc = 6 (g . RH ) 1/2 onde g = aceleração da gravidade (Eq. 16) Essa prescrição decorre justamente do fenômeno de incorporação de ar ao escoamento, que tem como conseqüência imediata o aumento da área molhada no conduto, ou seja, o volume da mistura ar-água em movimento é maior que o volume simples só de esgoto. Esse crescimento da área molhada pode resultar em ocupação total da seção transversal, passando o escoamento de conduto livre a conduto forçado, com o conseqüente comprometimento não só das hipóteses do dimensionamento, como também da própria tubulação, seu assentamento, suas juntas, todos não condizentes com as pressões e esforços que decorrem do escoamento sob pressão. Então a primeira preocupação é aquela que consta da prescrição normativa, ou seja garantir uma área livre maior na seção transversal destinada ao possível crescimento da lâmina e ainda assegurando a ventilação para manter o escoamento livre. A fronteira para o início da incorporação de ar indicada pela equação 16, é resultado de inúmeras pesquisas realizadas, nas quais se constatou que entre os diversos números adimensionais ligados ao escoamento de fluidos (Reynolds, Weber, Froude e outros), o que melhor caracteriza a concentração de ar é o número de Boussinesq, embora os outros citados também tenham relação com o fenômeno, conforme revelado pela análise dimensional. A conclusão de tais estudos mostrou que a mistura ar-água se inicia quando o número deBoussinesq ( B ) é igual a 6,0. B = vc . (g . RH ) -1/2 = 6,0 ou vc = 6 (g . RH ) 1/2 26 Quando a velocidade final ( vf ) for superior à velocidade crítica ( vc ), o trecho em questão deve ser redimensionado mantendo-se a declividade escolhida e alterando-se o cálculo do diâmetro para a relação máxima y/d0 = 0,50 e Qf 0,0015 m 3 /s, utilizando-se a Eq. 17: d0 = 0,394 (Qf . I0 -1/2 ) 3/8 , sendo: d0 em m, Qf em m 3 /s, I0 em m/m (Eq. 17) Deve-se adotar o diâmetro comercial (DN) mais próximo, resultando um novo diâmetro para o trecho cerca de 25% maior que o calculado pela equação 12. Sabe-se que a simples adoção desse critério não garante o escoamento livre de modo absoluto, mas é suficiente para as situações mais comuns. Observa-se também que o início do arraste de ar pode ocorrer para velocidades relativamente baixas ( 1,5 m/s), sendo recomendável a verificação da velocidade crítica em todos os trechos da rede coletora (Tsutiya e Além Sobrinho, 1999). O procedimento para a verificação final A verificação final dos trechos consiste em, conhecidas as suas vazões Qi e Qf, diâmetros (d0 ) e declividades ( I0 ), determinar as lâminas líquidas ( y/d0 ) inicial e final, as velocidades (vi e vf) inicial e final, a tensão trativa ( ) para as condições iniciais (RH,i ) e a velocidade crítica (vc) para o final de plano (utilizando RH,f ). A seqüência dos cálculos é a seguinte, já fixadas as vazões inicial e final de jusante (limite mínimo 1,5 /s), os diâmetros (d0) e as declividades (I0), com n = 0,013: - Calcula-se a vazão e a velocidade a seção plena Qp = 23,976 . d0 8/3 . I0 1/2 (Eq. 18) vp = 30,527 . d0 2/3 . I0 1/2 (Eq. 19) sendo: d0 em m, I0 m/m, Qp em m 3 /s e vp em m/s - Com a relação Qi /Q p encontra-se no Quadro 8 as relações y/d0 , RH/d0 e v/vp a partir das quais calculam-se: a velocidade ( vi ), a tensão trativa ( ) e a própria lâmina (y/ d0), para condições iniciais. - Com a relação Qf /Q p encontra-se no Quadro 8 as mesmas relações já citadas e que permitem o cálculo da velocidade final ( vf ), a velocidade crítica ( vc ), além da lâmina (y/ d0), para as condições de final de plano. 27 Quadro 8 - Condutos circulares parcialmente cheios Relações baseadas na equação de Manning: v = RH 2/3 . I 1/2 / n e Q = v . Am y / d0 RH / d0 Am / d0 2 v / vp Q / Qp y / d0 RH / d0 Am / d0 2 v / vp Q/Qp 0,01 0,0066 0,0013 0,0890 0,00015 0,51 0,2531 0,4027 1,0084 0,51702 0,02 0,0132 0,0037 0,1408 0,00067 0,52 0,2562 0,4127 1,0165 0,53411 0,03 0,0197 0,0069 0,1839 0,00161 0,53 0,2592 0,4227 1,0243 0,55127 0,04 0,0262 0,0105 0,2221 0,00298 0,54 0,2621 0,4327 1,0320 0,56847 0,05 0,0326 0,0147 0,2569 0,00480 0,55 0,2649 0,4426 1,0393 0,58571 0,06 0,0389 0,0192 0,2891 0,00708 0,56 0,2676 0,4526 1,0464 0,60296 0,07 0,0451 0,0242 0,3194 0,00983 0,57 0,2703 0,4625 1,0533 0,62022 0,08 0,0513 0,0294 0,3480 0,01304 0,58 0,2728 0,4724 1,0599 0,63746 0,09 0,0575 0,0350 0,3752 0,01672 0,59 0,2753 0,4822 1,0663 0,65467 0,10 0,0635 0,0409 0,4011 0,02088 0,60 0,2776 0,4920 1,0724 0,67184 0,11 0,0695 0,0470 0,4260 0,02550 0,61 0,2799 0,5018 1,0783 0,68895 0,12 0,0755 0,0534 0,4499 0,03058 0,62 0,2821 0,5115 1,0839 0,70597 0,13 0,0813 0,0600 0,4730 0,03613 0,63 0,2842 0,5212 1,0893 0,72290 0,14 0,0871 0,0668 0,4953 0,04214 0,64 0,2862 0,5308 1,0944 0,73972 0,15 0,0929 0,0739 0,5168 0,04861 0,65 0,2881 0,5404 1,0993 0,75641 0,16 0,0986 0,0811 0,5376 0,05552 0,66 0,2900 0,5499 1,1039 0,77295 0,17 0,1042 0,0885 0,5578 0,06288 0,67 0,2917 0,5594 1,1083 0,78932 0,18 0,1097 0,0961 0,5774 0,07068 0,68 0,2933 0,5687 1,1124 0,80551 0,19 0,1152 0,1039 0,5965 0,07891 0,69 0,2948 0,5780 1,1162 0,82149 0,20 0,1206 0,1118 0,6150 0,08757 0,70 0,2962 0,5872 1,1198 0,83724 0,21 0,1259 0,1199 0,6331 0,09664 0,71 0,2975 0,5964 1,2311 0,85275 0,22 0,1312 0,1281 0,6506 0,10613 0,72 0,2987 0,6054 1,1261 0,86799 0,23 0,1364 0,1365 0,6677 0,11602 0,73 0,2998 0,6143 1,1288 0,88294 0,24 0,1416 0,1449 0,6844 0,12631 0,74 0,3008 0,6231 1,1313 0,89758 0,25 0,1466 0,1535 0,7007 0,13698 0,75 0,3017 0,6319 1,1335 0,91188 0,26 0,1516 0,1623 0,7165 0,14803 0,76 0,3024 0,6405 1,1354 0,92582 0,27 0,1566 0,1711 0,7320 0,15945 0,77 0,3031 0,6489 1,1369 0,93938 0,28 0,1614 0,1800 0,7470 0,17123 0,78 0,3036 0,6573 1,1382 0,95253 0,29 0,1662 0,1890 0,7618 0,18336 0,79 0,3039 0,6655 1,1391 0,96523 0,30 0,1709 0,1982 0,7761 0,19583 0,80 0,3042 0,6736 1,1397 0,97747 0,31 0,1756 0,2074 0,7901 0,20863 0,81 0,3043 0,6815 1,1400 0,98921 0,32 0,1802 0,2167 0,8038 0,22175 0,82 0,3043 0,6893 1,1399 1,00041 0,33 0,1847 0,2260 0,8172 0,23518 0,83 0,3041 0,6969 1,1395 1,01104 0,34 0,1891 0,2355 0,8302 0,24892 0,84 0,3038 0,7043 1,1387 1,02107 0,35 0,1935 0,2450 0,8430 0,26294 0,85 0,3033 0,7115 1,1374 1,03044 0,36 0,1978 0,2546 0,8554 0,27724 0,86 0,3026 0,7186 1,1358 1,03913 0,37 0,2020 0,2642 0,8675 0,29180 0,87 0,3018 0,7254 1,1337 1,04706 0,38 0,2062 0,2739 0,8794 0,30662 0,88 0,3007 0,7320 1,1311 1,05420 0,39 0,2102 0,2836 0,8909 0,32169 0,89 0,2995 0,7384 1,1280 1,06047 0,40 0,2142 0,2934 0,9022 0,33699 0,90 0,2980 0,7445 1,1243 1,06580 0,41 0,2182 0,3032 0,9131 0,35250 0,91 0,2963 0,7504 1,1200 1,07011 0,42 0,2220 0,3130 0,9239 0,36823 0,92 0,2944 0,7560 1,1151 1,07328 0,43 0,2258 0,3229 0,9343 0,38415 0,93 0,2921 0,7612 1,1093 1,07520 0,44 0,2295 0,3328 0,9445 0,40025 0,94 0,2895 0,7662 1,1027 1,07568 0,45 0,2331 0,3428 0,9544 0,41653 0,95 0,2865 0,7707 1,0950 1,07452 0,46 0,2366 0,3527 0,9640 0,43296 0,96 0,2829 0,7749 1,0859 1,07138 0,47 0,2401 0,3627 0,9734 0,44954 0,97 0,2787 0,7785 1,0751 1,06575 0,48 0,2435 0,3727 0,9825 0,46624 0,98 0,2735 0,7816 1,0618 1,05669 0,49 0,2468 0,3827 0,9914 0,48307 0,99 0,2666 0,7841 1,0437 1,04196 0,50 0,2500 0,3927 1,0000 0,5000 1,00 0,2500 0,7854 1,0000 1,00000 28 Exercício nº 01 - Determinar a cota mínima do coletor público de esgoto sanitário, utilizando-se a Figura 17 da apostila e a figura abaixo, conforme instruções do professor. Quadro 9 - Planilha de cálculo para determinação da cota mínima do coletor de esgoto sanitário Casa nº Estaca C1 L1 1 = I1 x L1 C2 = C1 - 1 L2 2 = I2 x L2 a CC = C2 - 2 - a 580 19+12 728,902 32,80 5,00 0,34 590 19+02 728,815 35,00 5,10 0,34 600 18+12 728.723 37,60 5,20 0,34 610 18+02 728,602 33,00 5,00 0,34 620 17+12 728,497 32,00 4,95 0,34 630 17+02 728,402 35,00 5,12 0,34 640 16+12 728,324 36,20 5,25 0,34 650 16+02 728,213 30,00 4,76 0,34 660 15+12 728,122 34,00 4,85 0,34 670 15+02 728,007 32,00 4,95 0,34 680 14+12 727,922 32,80 5,15 0,34 690 14+02 727.830 31,90 5,30 0,34 OBS.: As cotas (CC) deverão ser lançadas no perfil correspondente aos dois primeiros trechos (1-1 e 1-2) do projeto de dimensionamento de rede (figura 17), utilizando o critério de atendimento pleno, para a fixação da cota dos coletores desses trechos. Exercício nº 02 – Dimensionar a rede de esgoto apresentada na figura 17, completando a planilha (Quadro 10), e atendendo ainda aos dados adicionais abaixo. Apresentar planta, perfís, planilhas (Quadros 9 e 10). Densidade populacional inicial e final (ver Quadro 2 da apostila) a) quadras com residências térreas/sobrados: di = 40 hab/ha e df = 150 hab/ha; b) quadras com edifícios até 20 andares: di = 100 hab/ha e df = 600 hab/ha; OBS.: hab = habitantes e ha = hectares = 10.000 m 2 ; Densidade de arruamento por área L* = 200 m/ha; Coeficiente de retorno de esgoto C = 0,8; Contribuição per capita inicial ( qi ) e final ( qf ):qi = qf = 160 L/hab.dia; Coeficientes do dia de maior consumo ( K1 ) e da hora de maior consumo ( K2 ): K1 = 1,2 e K2 = 1,5; Taxa de infiltração: TI = 0,0001 L/s.m; Profundidade mínima do coletor pmin. : (será considerado até DN = 200 mm um pmin = 1,10m); Diâmetro mínimo do coletor d0min = 100 mm; Relação altura d´água/diâmetro Y/d0 = 0,75. RUA C2 CC COLETOR PÚBLICO DE ESGOTO d0min = 100 mm (manilha DN100) I1 = I2 = 2 % L1 L2 C1 29 Quadro 10 – Exercício 2 - Planilha de dimensionamento e verificação de rede coletora (ver Figura 17 da apostila) Trecho Extensão do trecho L (m) Contrib. linear (L/s.m) qx,i= inic. qx,f = final Contrib. do trecho (L/s) inicial final Vazão a montante (L/s) inicial final Vazão a jusante (L/s) Qi = inicial Qf = final Diâmetro d0 (mm) Declivid. I0 (m/m) Cota do terreno CT (m) montante jusante Cota do coletor CC (m) montante jusante Profundid do coletor p (m) montante jusante Profund do PV/PI a jusante (m) Lâmina líquida y/d0 inicial final Velocid. vi (m/s) vf (m/s) Tensão trativa t (Pa) Velocid crítica vc (m/s) Observações 1 - 1 60,00 0,000 0,000 729,300 728,700 1 - 2 60,00 728,700 728,100 1 - 3 60,00 728,100 727,600 1 - 4 60,00 727,600 727,100 1 - 5 80,00 727,100 726,800 2 - 1 60,00 729,100 728,000 2 - 2 60,00 728,000 727,100 2 – 3 60,00 727,100 726,950 2 – 4 60,00 726,950 726,800 1 – 6 80,00 726,800 726,300 3 - 1 60,00 728,700 727,900 3 - 2 60,00 727,900 727,050 3 - 3 60,00 727,050 726,700 3 - 4 60,00 726,700 726,300 Descarga PV exist. - 726,300 ? 30 Interceptores e emissários A norma brasileira NBR-12207/1989 define o interceptor como: “a canalização, cuja função precípua é receber e transportar o esgoto sanitário coletado, caracterizada pela defasagem das contribuições, da qual resulta o amortecimento das vazões máximas”. De fato, as curvas de variação de vazão são similares e simultâneas em todas as bacias ou sub-bacias que contribuem para o interceptor. Em geral os trechos de conduto são extensos e o tempo de percurso entre dois pontos de contribuição contíguos provoca uma defasagem na acumulação das contribuições relativas a um mesmo período. Isso, em termos de contribuições máximas, resulta num amortecimento de vazão em relação à soma das contribuições. Em outras palavras, quando a vazão máxima de uma área a montante chega ao ponto de contribuição da área contígua a jusante, a vazão máxima desta área já se deslocou e o escoamento se encontra em declínio. Tal efeito, segundo a norma só deve afetar a avaliação de vazão do último trecho do interceptor. Para melhor caracterizar esses condutos outras finalidades devem ser acrescidas àquela definida pela norma. São elas: - quanto às ligações – é uma canalização que recebe contribuições em pontos determinados providos de poços de visita (PV) e não as recebe ao longo do comprimento de seus trechos. - quanto à localização – canalização situada nas partes mais baixas da bacia, ao longo dos talvegues e às margens dos cursos d’água, lagos e oceanos, para impedir o lançamento direto do esgoto sanitário nessas águas. O emissário é definido pela norma brasileira NBR 9649/1986 como “a tubulação que recebe esgoto exclusivamente na extremidade de montante”. O último trecho de um interceptor, aquele que precede e contribui para uma estação elevatória, uma ETE, ou mesmo para descarga na disposição final no corpo receptor, é o caso mais comum de emissário. É para esse trecho final que a norma recomenda o cálculo da defasagem e do amortecimento das vazões máximas, mormente quando esse emissário é afluente a elevatórias e ETE’s, pois isso resultará em economia, pela diminuição do tamanho das unidades, no dimensionamento hidráulico de tais instalações. Órgãos acessórios e complementares Para cumprir seu objetivo de transporte do esgoto sanitário, o interceptor deve incorporar, além dos órgãos acessórios comuns a outras canalizações, também órgãos complementares, como estações elevatórias, extravasores, dissipadores de energia e outros dispositivos ou instalações permanentes ou mesmo provisórias. No interceptor os órgãos acessórios são apenas os poços de visita (PV), necessários nos pontos singulares, como mudanças de direção e ligações de coletores. Ao longo do interceptor, os poços de visita que recebem ligações de outros condutos devem ter dispositivos que evitem conflitos de linhas de fluxo e diferenças de cotas que resultem em excesso de agitação. Em geral esses dispositivos são constituídos por dissipadores de energia, adjacentes ao PV e canais de direcionamento do fluxo, conforme esquematizado nas Figuras 21 e 22. Dissipadores de energia, similares aos apresentados nas Figuras 21 e 22, podem ser construídos no próprio interceptor quando houver diferenças de cotas acentuadas a serem vencidas. 31 PLANTA Figura 21 - Ligação esquemática coletor tronco - interceptor Tal como nos órgãos acessórios da rede coletora, os PV’s dos interceptores devem ter no fundo calhas com diâmetro igual ao do tubo na saída e laterais com alturas coincidindo com sua geratriz superior. Extravasores devem ser dispostos ao longo do interceptor ou apenas em seu último trecho de modo a evitar o enchimento pleno da seção transversal, ocasionado seja por vazões inesperadas (chuvas intensas), seja por interrupção do fluxo à jusante (paralisação de uma elevatória, por exemplo). A decorrente alteração do escoamento livre para escoamento forçado à seção plena pode ocasionar esforços e pressões não previstos no dimensionamento estrutural do conduto, além da inconveniente propagação para montante dos efeitos da interrupção do escoamento, com possíveis refluxos na rede coletora e nas residências situadas em cotas mais baixas. Tais extravasores devem ter descargas livres para corpos d’água próximos, equipadas com dispositivo para impedir refluxo das águas para o interceptor. Como exemplo de tais dispositivos pode-se citar a válvula do tipo “FLAP” (ver Figuras 23 e 24), que permite a passagem do líquido apenas num sentido. Avaliação das vazões nos interceptores Nos trechos dos interceptores entre dois PVs, não há contribuições em marcha (ao longo do trecho). As vazões são avaliadas pela simples acumulação das vazões anteriores com as novas contribuições que chegam a montante, tal como prescreve a norma vigente. Bastará, para esses trechos correntes, as seguintes avaliações: Vazão inicial de um trecho “n” (Qi,n): Qi,n = Qi,n-1 + Qi (equação 20) sendo Qi as vazões iniciais (início de plano), dos últimos trechos de redes coletoras afluentes ao PV de montante do trecho “n” (ver Figura 25). INTERCEPTOR POÇO DE VISITA COLETOR TRONCO DISSIPADOR ENERGIA (degraus) 32 ANTEPAROS ESCALONADOS CANALETA DE FUNDO COLETOR ANTEPARO PARALEPÍPEDO (granito) N.A INTERCEPTOR ENCHIMENTO (concreto) Figura 22