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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL 3° Projeto - Adutora de Água Bruta DISCENTES Alan Vitor Alves Pinheiro Bruna Pereira Leite Felipe Matheus Ferdinando de Santana Jhenifer Stéfani Castilho de Araujo Fernandes Marciely Ferreira Alves Rafael Vinicius Rodrigues DOCENTE Weliton Ttatom Pereira da Silva Cuiabá – MT, Dezembro de 2014 UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL 3° Projeto - Adutora de Água Bruta DISCENTES Alan Vitor Alves Pinheiro Bruna Pereira Leite Felipe Matheus Ferdinando de Santana Jhenifer Stéfani Castilho de Araujo Fernandes Marciely Ferreira Alves Rafael Vinicius Rodrigues DOCENTE WELITON TTATOM PEREIRA DA SILVA Projeto do Sistema de uma Adutora de Água Bruta, solicitado pelo Prof. Welitom Ttatom Pereira da Silva, como requisito avaliativo do curso de Engenharia Sanitária e Ambiental na disciplina de Sistemas de Abastecimento de Águas. Cuiabá – MT, Dezembro de 2014 SUMÁRIO INTRODUÇÃO Pode-se conceituar um sistema de abastecimento de água através da definição da ADASA (2014): ele começa desde a captação da água bruta, sendo transportada por uma adutora até uma estação de tratamento de água, onde ela é tratada, reservada e distribuída à população projetada. Portanto, há basicamente cinco etapas no SAA, que são captação, adução, tratamento, reservação e distribuição. A adução é uma etapa essencial no processo de abastecimento de água, pois nem sempre é possível tratar a água no mesmo ponto de captação. Pensando dessa forma, quanto mais próxima a ETA estiver do núcleo urbano, menos gasto com perda de água tratada ela terá, pois água bruta tem menor valor embutido. Segundo Tsutiya (2006), "Adutoras são canalizações dos sistemas de abastecimento de água que conduzem a água para as unidades que precedem a rede de distribuição". Elas podem estar nos trechos entre a captação e a estação de tratamento de água (ETA) ou entre a ETA e a rede de distribuição, com ou não acréscimo de reservatório no intervalo. Portanto, em outras palavras, ela é a tubulação que liga uma unidade do sistema de abastecimento de água à outra, pode transportar água bruta ou tratada, funcionar de forma recalcada ou por gravidade. Dentre os parâmetros de projetos que devem ser considerados ao dimensionar uma adutora estão o diâmetro e custo da tubulação, pressão de trabalho, custo de instalação, manutenção, qualidade da água, material do tubo dentre outros. Os materiais mais empregados para adução de água são: ferro fundido, ferro dúctil, aço soldado, concreto, PVC, fibra de vidro, polietileno e materiais especiais como PRFV (Poiléster Reforçado com Fibras de Vidro) (Freire, 2000). Esse último vem ganhando espaço nas obras hidráulica por apresentar uma elevada rigidez e baixa perda de carga, pois a sua rugosidade pode chegar a ser 20 vezes menor que nas tubulações de aço carbono usado (Petrofisa). Os problemas mais comuns envolvendo as adutoras são: rompimento da tubulação devido pressão excessiva, danos no sistema motor-bomba causa por zonas de pressão negativa no percurso da água, vazamentos nos trechos onde houve má conexão, entre outros. Por isso, deve-se ter um sistema de monitoramento eficiente de problemas nos trechos de adução para se evitar perdas e gastos desnecessários. O município de Sinop possui uma elevada taxa de crescimento e atualmente é abastecida por poços tubulares profundos. Dessa forma, é necessário um sistema de abastecimento de água que possa suprir as carências da população. Pensando nisso, este projeto tem por objetivo a construção de uma adutora através da captação superficial do rio Teles Pires, que tem vazão suficiente para atender a demanda por, no mínimo, 20 anos. MEMORIAL DESCRITIVO Localização A cidade de Sinop está localizada às margens da BR 163, no Centro Norte do Mato Grosso, na bacia Amazônica, planalto dos Parecis, com relevo plano, clima tropical e quente, precipitação pluviométrica média anual de 2.000mm e temperatura em torno de 24º C. Solo do tipo latossolo vermelho-amarelo. 2.2. Clima O clima predominante é quente e úmido, com temperatura média anual em torno de 25°C, com chuvas torrenciais bem distribuídas durante o ano (IBGE, 2004). As precipitações ultrapassamos 2.000 mm/ano e pelo menos 130 dias/ano, observando-se, por exemplo, os 8.000 mm/ano nos Andes, Peru e Equador, os 3.600mm/ano no Amazonas e Amapá. A umidade relativa do ar é superior a 80% durante a maior parte do ano. O clima não é uniforme, pois há regiões onde se encontra estação seca, longa e bem definida, com baixa umidade relativa do ar (típico de cerrado), e outras bem úmidas, praticamente não existindo estação seca (MEIRELLES FILHO, 2004). Solo Segundo Cáuper (2006), o solo é composto predominantemente de quartzo e caulinita, que é uma argila com pouco grau de absorção de nutrientes minerais, denominados latossolos amarelos ou vermelhos. Esse tipo de solo contribui para o acúmulo de matéria orgânica na serrapilheira, processo conhecido como ciclagem verde, que é caracterizado pela assimilação do solo aos nutrientes encontrados na biomassa da flora e fauna da floresta. 2.4. Adutora A captação da água é feita no rio Teles Pires (rio mais próximo que atenda a vazão da cidade), localizado aproximadamente a 12 km do centro da cidade e montante do lixão de Sinop, para que essa água não pudesse estar potencialmente contaminada. Passando pelo sistema de pré-tratamento no local da captação. Então ela é bombeada por um conjunto motor-bomba através de dutos de PRFV (Poliéster Reforçado com Fibras de Vidro). Esse material é uma nova tecnologia que está abrangendo todo o mercado de trabalho, por apresentar perda de carga menor que nas tubulações tradicionais, pois é revestida com um material hidraulicamente liso. Além disso, é possível encontrar diâmetros variando de 150 mm a 1600 mm, pois é facilmente manuseada na sua fabricação. As barras de PRFV podem ser de 6 ou 12 metros, isso aponta como um ponto positivo para adoção desse material para adutoras, onde os trechos de tubulação são geralmente longos. Ela aceita pressão até 32 KN/cm², não sofrem corrosão, abrasão e demais intempéries ambientais. Além disso consegue trabalhar em uma temperatura máxima de até 120ºC. A Figura 1 apresenta uma fotografia da tubulação citada. Figura 1 - Ilustração de tubulações de PRFV (Manual Petrofisa) DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO 3.1. População de projeto Para previsão da população de fim de plano foi utilizado o método geométrico de crescimento populacional, em uma estimativa para vinte anos. O crescimento anual da cidade de implantação do projeto é de 2 % (crescimento médio para população maior que 100 mil habitantes, sendo o IPEA, 2008). Foi considerado que não haja alteração nessa perspectiva e a população atendida de fim de plano será a correspondente a 100% da população da cidade. 3.1.1. População de inicio de plano (PIP) A população de início de plano é 113.000 de habitantes para o ano de 2014. 3.1.2. População de fim de plano (PFP) A população de fim de plano será a correspondente ao ano de 2034, considerando a previsão de crescimento anual de 2 %: Portanto, a população final de projeto é 167.912 habitantes em 20 anos. 3.2. Previsão de consumo Para os dado característicos da região, clima e população da cidade, foram adotados os seguintes parâmetros: Q cons.filtros ETA = 1,02 ;para lavagem de filtros, segundo OLIVEIRA (2012) e TSUTYIA (2004). Horas de Funcionamento da ETA: 18 horas/dia, pois de acordo com TSUTYIA (página 158), o período de funcionamento da adução é de 16h a 20h K1 = 1,2 (segundo a norma PNB-587-ABNT) Pa = 250 L/hab.dia (para população futura maior que 50000 habitantes, segundo a norma PNB-587-ABNT). 3.2.1. Vazão de Projeto (Qp) 0,808465 Onde: Q =Vazão (m³/s); Pop = População a seratendida, com incremento de 2% aoanodurante 20 anos; Pa = Per capita de consumo (L/hab/dia); K1 = Coeficiente de consumo do dia de maiorconsumo; Qeta= Coeficiente de consumo de águana ETA correspondente a 4%; t= Tempo de funcionamento (horas/dia). 3.3. Cálculo do diâmetro da adutora Para se determinar o diâmetro da tubulação adutora, foram feitos cálculos de vários diâmetros e escolhido o mais viável dentre a faixa de variação. E esses diâmetros são determinados através da seguinte fórmula de Bresse. Onde, K é uma constante, que segundo Tsutiya (2006) sugere que se utilize no mínimo 4 valores: 0.9, 1.0, 1.1 e 1.2. E Q é a vazão do sistema. Na Tabela 1 a seguir estão apresentados os valores que foram encontrados na variação da constante K. E através deles foram feitos estudos de viabilidade de diâmetro econômico. Coeficiente de Bresse (K) Diâmetro Nominal (mm) 0,9 800 1,0 900 1,1 1000 1,2 1100 Tabela 1 - Diâmetros encontrados através de Bresse. Esses valores são os possível que podem ser usados para a adutora, todavia deve-se avaliar a questão das possíveis inviabilidades. Por exemplo, a tubulação de 600 mm é mais barata, porém a de 1100 mm pode apresentar valores de instalação e manutenção mais em conta. Devido a isso, seguem-se os cálculos para determinar o diâmetro mais econômico para o projeto. 3.4. Custo da aquisição e assentamento da tubulação O cálculo nessa fase é simplório, bastando-se realizar o produto entre o comprimento da tubulação e o custo de cada barra do tubo. Sabendo-se que o comprimento da adutora encontrado foi de 12,820 Km e que os preços unitários são relativos às informações do fabricante (Petrofisa), tem-se abaixo, na Tabela 2, um detalhamento dos valores unitários do tubo PRFV e o custo total da tubulação já assentada. Diâmetro Nominal (mm) Custo Unitário (R$/m) Custo Tubulação (R$) 800 861,99 11.169.666,42 900 1.068,65 13.847.566,70 1000 1.298,19 16.821.946,02 1100 1.313,00 17.013.854,00 Tabela 2 - Custo da tubulação assentada. 3.5. Cálculo dos custos de conjunto elevatório e de energia Em um país como o Brasil é praticamente impossível dimensionar um sistema de abastecimento de água sem a utilização de um conjunto motor-bomba, porque possuímos um relevo bastante heterogêneo, onde as diferenças de cotas entre a captação e ETA são consideráveis. Apesar de Sinop estar localizada em uma região de planalto, há uma diferença de cota de algumas dezenas. Dessa forma, para o cálculo de conjunto elevatório foram consideradas: a vazão de projeto (Qp) apresentada acima, potência da bomba (Pot) e a altura manométrica (Hm). A altura manométrica representa a carga geométrica cujo o sistema motor-bomba deve recalcar, pois além do limitante geográfico (relevo), consideram-se as perdas de carga no trecho. Como ainda não foi escolhido o diâmetro do projeto, seguem-se os cálculos para todos os citados acima. Tem-se: Onde, Hm é a altura manométrica, Hg é a altura geométrica representada pela diferença do ponto mais baixo para o mais elevado (m), K é uma constante calculada a partir de Hazen-Willians, Qp é a vazão, n (1,85 - Hazen-Willians), C é outro coeficiente dependendo do material (segundo a Petrofisa, o C para PRFV é 150, D o diâmetro (m), L o comprimento da tubulação (m), γ é o peso específico da água (998 kgf/m³), η é o coeficiente global da bomba (adotado 0,75) e ηm é o do motor da bomba (0,75). Através das equações apresentadas acima, obteve-se a a Tabela 3, que demonstra os valores obtidos. DN (mm) Qp (m³/s) Hm (m) Pot (cv) Custo (R$) 800 0,808 70,13 1.005,98 R$28.505.456,46 900 0,808 70,08 1.005,26 R$ 22.747.831,63 1000 0,808 70,05 1.004,86 R$ 19.763.308,61 1100 0,808 70,04 1.004,61 R$ 18.109.608,83 Tabela 3 - Dados sobre custos de recalque. O campo reservado para o custo é referente ao preço atualizado de um conjunto motor-bomba. Esses valores foram consultados a um fabricante de tal produto, específico para a função de bombeamento de água em grande escala. Quanto ao cálculo de gasto com energia elétrica, foram baseados em dados disponibilizados no site da Centrais Elétricas Matogrossense (Cemat), em que considera-se 0,38107 R$/kWh para classe residencial (B1). A partir da equação a seguir, obteve-se o gasto com energia elétrica no período de vigência do projeto. Esse valor serve apenas para norteamento do custo total da adução, pois pode haver mudanças nas tarifas e outras variáveis ao longo do tempo. Em que, CE representa o custo da energia (R$), Pot a potência da bomba (kWh), NHD o número de horas de trabalho da bomba (h/dia), AP a quantidade de anos do projeto, NDA o número de dias em um ano (365 dias), TE tarifa de energia (fixada em 0,38107 R$/kWh pela companhia de energia do estado). Obtidos os valores de custo da tubulação (CT), do conjunto elevatório (CE) e do gasto com energia elétrica (CE), foi construído o seguinte gráfico de gasto total: Figura 2 - Gráfico de custo total. x (DN) 800 900 1000 1200 y1 (Ct) R$ 22.101.578,76 R$ 27.400.378,36 R$ 33.285.825,27 R$ 33.665.556,34 y2 (Ce+e) R$ 28.516.456,46 R$ 22.758.831,63 R$ 19.774.308,61 R$ 18.120.608,83 y3 (y1+y2) R$ 50.618.035,22 R$ 50.159.209,99 R$ 53.060.133,89 R$ 51.786.165,17 O diâmetro econômico é encontrado a partir do ponto mais côncavo da curva de custo total, porque apresenta o menor custo com maior eficiência. Dessa forma, observando o gráfico, tem-se que o diâmetro econômico é igual a 900 mm. 3.6. Cálculo do traçado da adutora Após definido o diâmetro, concretiza-se o traçado da adutora com base no que determina a norma, onde deve-se evitar passar por terrenos particulares, áreas de brejo, culturas entre outros. Essas análises foram feitas de acordo com a planta planialtimétrica da região de Sinop (Anexo). Além disso, preocupou-se em posicionar a tubulação no mínimo a 0,80 m de profundidade para que não venha ocorrer algum dano e surgimento da mesma. E também a aplicação de trechos ascendentes longos e descendentes curtos para melhor funcionamento do sistema de adução. Através de cálculos topográficos iterativos e programas computacionais foram calculados os pontos de profundidade do terreno, geratriz interna inferior, trecho, cota do terreno, declividade, espessura da tubulação e comprimento do trecho (montante e jusante). A Tabela 4 a seguir apresenta os dados obtidos. Trecho CTm CGIIm CTJ CGIIj Pm Pj I e(m) D(m) Lreal 1 310 308,2365 314,25 312,49 0,800 0,80 0,010 0,019 0,945 444 2 314,253 312,49 315,17 312,20 0,800 2,01 0,003 0,019 0,945 96 3 315,172 312,20 320,00 318,24 2,008 0,80 0,012 0,019 0,945 504 4 320 318,24 329,69 327,93 0,800 0,80 0,022 0,019 0,945 436 5 329,689 327,93 330,49 327,82 0,800 1,71 0,003 0,019 0,945 36 6 330,489 327,82 340,00 338,24 1,708 0,80 0,024 0,019 0,945 428 7 340 338,24 340,88 337,77 0,800 2,15 0,003 0,019 0,945 156 8 340,884 337,77 345,72 343,96 2,152 0,80 0,007 0,019 0,945 854 9 345,722 343,96 346,61 343,49 0,800 2,15 0,003 0,019 0,945 156 10 346,606 343,49 350,95 349,18 2,152 0,80 0,007 0,019 0,945 766 11 350,946 349,18 351,42 348,76 0,800 1,70 0,005 0,019 0,945 84 12 351,422 348,76 356,26 354,50 1,696 0,80 0,007 0,019 0,945 854 13 356,261 354,50 356,74 354,25 0,800 1,53 0,003 0,019 0,945 84 14 356,737 354,25 360,00 358,24 1,528 0,80 0,007 0,019 0,945 576 15 360 358,24 360,59 358,13 0,800 1,50 0,003 0,019 0,945 36 16 360,594 358,13 368,91 367,15 1,502 0,80 0,018 0,019 0,945 504 17368,911 367,15 370,30 366,90 0,800 2,44 0,003 0,019 0,945 84 18 370,297 366,90 380,00 378,24 2,438 0,80 0,019 0,019 0,945 588 19 380 378,24 373,86 370,42 0,800 2,47 0,021 0,019 0,945 372 20 373,861 370,42 372,67 370,64 2,473 1,07 0,003 0,019 0,945 72 21 372,673 370,64 368,51 363,08 1,069 4,47 0,030 0,019 0,945 252 22 368,515 363,08 366,14 363,51 4,471 1,66 0,003 0,019 0,945 144 23 366,139 363,51 360,00 356,07 1,663 2,96 0,020 0,019 0,945 372 24 360 356,07 355,64 350,55 2,964 4,12 0,020 0,019 0,945 276 25 355,64 350,55 353,36 350,84 4,124 1,56 0,002 0,019 0,945 144 26 353,365 350,84 348,63 344,24 1,561 3,42 0,022 0,019 0,945 300 27 348,626 344,24 346,35 344,53 3,422 0,86 0,002 0,019 0,945 144 28 346,351 344,53 342,56 339,73 0,859 1,87 0,020 0,019 0,945 240 29 342,559 339,73 340,00 338,11 1,867 0,93 0,010 0,019 0,945 162 30 340 338,11 320,00 316,51 0,928 2,53 0,450 0,019 0,945 48 31 320 316,51 340,00 338,11 2,528 0,93 0,450 0,019 0,945 48 32 340 338,11 360,00 356,90 0,928 2,14 0,058 0,019 0,945 324 33 360 356,90 360,00 357,86 2,136 1,18 0,002 0,019 0,945 480 34 360 357,86 360 357,36 1,176 1,67 0,003 0,019 0,945 166 35 360 357,36 360 358,24 1,674 0,80 0,002 0,019 0,945 480 36 360 358,24 360 356,89 0,8 2,14 0,007 0,019 0,945 192 37 360 356,89 360 358,14 2,144 0,90 0,002 0,019 0,945 624 38 360 358,14 360 357,65 0,896 1,38 0,003 0,019 0,945 162 39 360 357,65 360 358,24 1,382 0,80 0,002 0,019 0,945 372 40 360 358,24 353,867 347,20 0,8 5,71 0,040 0,019 0,945 276 41 353,867 347,20 349,6 347,58 5,706667 1,06 0,002 0,019 0,945 192 42 349,6 347,58 343,467 337,92 1,056 4,58 0,035 0,019 0,945 276 43 343,467 337,92 340 338,2 4,582667 0,80 0,002 0,019 0,945 156 Tabela 4 - Perfil detalhado da adutora 3.7. Cálculo da ventosa Conforme explicado acima, para que uma adutora funcione bem é necessário que haja trechos ascendentes para que as bolhas provocadas pelo turbilhamento da água, entrada da água por vórtice ou possível rebaixamento da captação, sejam carregadas para pontos altos. Nesses pontos são instalados dispositivos de retirada do ar: ventosas. O cálculo para tal peça hidráulica é feito pelo método de Netto e Alvarez (1986), em que a razão entre o diâmetro da tubulação (D) e o da entrada da ventosa (d) deve ser igual a 80%. Assim, tem-se que o diâmetro de entrada da ventosa é igual a 150 mm. Com o auxílio de um catálogo da Saint Gobain Pam, através do diâmetro encontrado se determina todas as especificações técnicas da Ventosa. Portanto, foi escolhido o modelo VTF25 (Ventosa Tríplice Função), que propicia a saída de ar em grande quantidade, quando a tubulação está sendo preenchida e também a de pequena quantidade, quando há formação de bolhas pelo funcionamento da bomba. 3.8. Cálculo da descarga Aproveitando-se os pontos elevados para a instalação das ventosas, escolhe-se pontos baixos para se definir como sendo de descarga. As descargas são necessárias para fazer a manutenção do sistema; quanto maior o número de descargas, mais rápida e eficiente se torna a manutenção, pois o escoamento é otimizado. Nesses pontos, geralmente, deriva-se a água para um corpo receptor (manancial) ou também pode ser disperso no solo de maneira controlada. Para calcular o diâmetro da tubulação de descarga, considera-se o estabelecido por Netto (1998). Em que a razão entre o diâmetro da tubulação e da descarga seja de 60%. Dessa forma, obtem-se que o diâmetro da descarga deste projeto equivale a 150 mm. A válvula de gaveta é o dispositivo hidráulico mais adequado, uma vez que pode-se controlar o fluxo da água ao fechar, assim evitando golpe de aríete na tubulação. Através do catálogo do fabricante Saint Gobain Pam, determina-se qual a válvula de gaveta adequada a partir do diâmetro da descarga. Dessa forma, foi encontrada a válvula de gaveta EURO 23 R23FV16. 3.9. Ancoragem Segundo Tsutyia (2006), "As tubulações e seus acessórios, além de esforços internos, geram ou podem gerar esforços externos, que necessitam ser absorvidos e transferidos a outras estruturas". Neste presente projeto não foram calculadas as ancoragens, mas os pontos que necessitam dela foram identificados: mudança de direção brusca, declividade acentuada, entre outros quesitos que influem na pressão do fluido. REFERÊNCIAS ADASA, Agência Reguladora de Águas, Energia e Saneamento Básico do Distrito Federal. Abastecimento de água: conceito. Disponível em: < http://www.adasa.df.gov.br/index.php ?option=com_content&view=article&id=838%3Aabastecimento-de-agua&catid=74&Itemid= 316>, Acessado em 20.11.014. CÁUPER, G. C.; CÁUPER, F. R. M; BRITO, L. L. Biodiversidade Amazônica. Manaus. Amazonas. Centro Cultural dos Povos da Amazônia – CCPA. 2006. Acesso em: 09 de novembro de 2014. CEMAT, Centrais Elétricas Matogrossense. Valores de tarifas. Disponível em: <http://www. cemat.com.br/sua-conta/tarifas/>, Acessado em 24.11.2014. FREIRE, P. K. D. Estudo comparativo entre metodologias de dimensionamento econômico de adutoras. Dissertação de mestrado. Universidade Federal da Paraíba. Departamento de Engenharia Civil. Campina Grande, 2000. MEIRELLES FILHO, J. C. O livro de ouro da Amazônia:mitos e verdadessobre a regiãomaiscobiçada do planeta. Rio de Janeiro:Ediouro, 2004. Acessoem 27 de outubro de 2014. PETROFISA, Soluções em PRFV Ltda. Poliéster Reforçado com Fibra de Vidro. Disponível em: < http://www.petrofisa.com.br/>, Acessado em 20.11.2014. TSUTUYA, M. T. Abastecimento de água. 4° edição, São Paulo - Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Cidade Universitária, 2006. 643p. 5. ANEXO
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