Dimensionamento Redes esgotamento sanitário

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Aula 13 – Critérios de projetos 
3- Critérios de projetos
3.1- 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 pode 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 (anaerobiose séptica) e a formação e desprendimento do gás sulfídrico (condições ácidas). O gás sulfídrico, em meio úmido, origina o ácido sulfúrico. Esse ácido age destruindo alguns materiais 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: 
- 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 m3/s. 
3.2- Critérios de projetos das canalizações 
a) O cálculo do diâmetro 
	Os coletores são projetados para trabalhar, no máximo, com uma lâmina de água igual a 0,75do, destinando-se a parte superior dos condutos à ventilação do sistema e às imprevisões e flutuações excepcionais de nível. 
	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: 
	Nessa expressão deve-se entrar com a vazão em (m3/s), resultando o diâmetro em (m), ajustado para o diâmetro comercial (DN) mais próximo (em geral, adota-se o valor imediatamente acima do calculado). 
	O diâmetro mínimo dos coletores sanitários é estabelecido de acordo com as condições locais. Em São Paulo são utilizados: 
 - Áreas exclusivamente residenciais..............................150 mm (DN 150)
 - Áreas de ocupação mista e áreas industriais................200 mm (DN 200) 
	A NBR 9649 (NB 567) de 1986 da ABNT admite o diâmetro mínimo DN 100. 
	A Tabela 3.2. (a) relaciona os valores de n para diferentes tipos de tubos. 
		Tabela 3.2 – Valores de n para diferentes tipos de tubulações 
	Tipos de tubulação
	Valores de n 
	Aço galvanizado
	0,015 a 0,017
	Aço rebitado
	0,015 a 0,017
	Aço soldado
	0,011 a 0,014
	Cimento-amianto
	0,010 a 0,012
	Cobre e latão 
	0,009 a 0,012
	Concreto muito liso
	0,011 a 0,012
	Concreto bem acabado 
	0,013 a 0,014
	Concreto ordinário
	0,014 a 0,016
	Cerâmica
	0,012 a 0,015
	Ferro fundido novo
	0,011 a 0,015
	Ferro fundido em uso
	0,015 a 0,025
	Ferro ondulado
	0,020 a 0,022
	Madeiras em aduelas 
	0,011 a 0,013
	Plástico
	0,009 a 0,010
	Tijolos
	0,014 a 0,016
b) Profundidade 
Recomenda-se como profundidade mínima 1,5 m (em relação à geratriz inferior dos tubos), para possibilitar as ligações prediais e proteger os tubos contra cargas externas. Todavia esse valor deve ser considerado apenas nos trechos de situação desfavorável. 
A profundidade ótima, geralmente, está compreendida entre 1,8 e 2,5 m para facilitar o esgotamento dos prédios e evitar interferências dos coletores prediais com outras canalizações. 
A NBR 09649 (NB 567)/ 1986 permite, para situações excepcionais, por exemplo ruas periféricas com baixo trânsito de veículos, recobrimento mínimo (em relação à geratriz superior dos tubos) de 0,90m, para assentamento no leito da via e de 0,65 m, quando no passeio. 
c) Velocidade crítica e velocidade máxima 
A norma brasileira citada acima estabelece que quando a velocidade final (vf), verificada no alcance do plano, é superior a velocidade crítica (vc), a lâmina de água máxima deve ser reduzida para 0,5do, sendo vc = 6(gRH)1/2, onde g = aceleração da gravidade e RH = raio hidráulico de final do plano. Isso decorre da possibilidade de emulsão de ar no líquido, aumentando a área molhada no conduto. 
A norma estabelece também que a declividade máxima admissível é aquela que corresponde à velocidade final (vf) de 5 m/s. A razão disso é evitar a erosão da tubulação, que no entanto não tem sido observada em instalações em que ocorrem velocidades bem maiores. 
d) Tensão trativa 
A disposição normativa é que cada trecho de canalização deve ser verificado, para que a tensão trativa média 
 seja igual ou superior a 1Pa, para coeficiente de Manning n = 0,013. A declividade mínima que satisfaz essa condição é expressa por 
, onde Qi é vazão de jusante do trecho no início do plano, em L/s e 
 em m/m. 
	
e) Vazão mínima 
A norma recomenda que, em qualquer trecho, o menor valor de vazão a ser utilizado nos cálculos é 1,5 L/s. 
f) Materiais 
As manilhas cerâmicas podem ser consideradas o material usual para redes de esgoto sanitário. 
Outros materiais comumente empregados são: tubo de concreto, de cimento amianto, de ferro fundido, de PVC, de fibra de vidro, etc. 
Os materiais à base de cimento são menos resistentes aos despejos agressivos (resíduos industriais e líquidos em estado séptico). 
Os tubos de ferro fundido somente são aplicados em situações especiais (trechos de pequeno recobrimento, trechos de velocidade excessiva, travessias, etc.) 
Os tubos de PVC são os mais recomendáveis quando o nível de lençol freático é alto (beira-mar). 
	
g) A auto-limpeza dos condutos. Tensão trativa 
	Tradicionalmente utiliza-se a associação de uma velocidade mínima com a mínima relação de enchimento da seção do tubo (y/do), para assegurar a capacidade do fluxo de transportar material sedimentável nas horas de menor contribuição, ou seja, a garantia de auto-limpeza das tubulações. 
	Por exemplo, a normalização brasileira de várias entidades previa limites mínimos, tais como y/do = 0,2 e vmin = 0,5m/s. 
	Na realidade, tratava-se de um controle indireto, pois a grandeza física que promove o arraste da matéria sedimentável é a tensão trativa que atua junto à parede da tubulação na parede da tubulação na parcela correspondente ao perímetro molhado. 
	A tensão trativa, ou tensão de arraste, nada mais é do que a componente tangencial do peso do líquido sobre a unidade de área da parede do coletor e que atua portanto sobre o material aí sedimentado, promovendo o seu arraste, vide Figura 3.2 (a). 
	
	 Figura 3.2 (a) – Desenho esquemático para cálculo da tensão trativa
 
 
	
 = peso específico (N/m3) 
	T = componente tangencial 
	
	A = área molhada 
 
 tensão trativa 
	
	Para 
 pequeno, 
 (declividade). Então: 
	
 em N/m2 ou Pa (pascal). 
	
	Essa tensão é um valor médio das tensões trativas no perímetro molhado da seção transversal considerada. 
	O estudo e a conceituação da tensão trativa vem se desenvolvendo desde o século XIX, para a solução de problemas de hidráulica fluvial e de canais sem revestimento. Muitos pesquisadores se aprofundaram na quantificação de valores levando em conta as muitas variáveis envolvidas, apoiando-se em numerosos resultados experimentais, buscando definir as fronteiras entre as regiões de repouso e de movimento das partículas. As pesquisas realizadasindicam em sua maioria que, no caso de coletores de esgoto, os valores da tensão trativa crítica para promover a auto-limpeza , se situam entre 1Pa e 2Pa. 
	Em São Paulo, a Sabesp, responsável estadual pelo saneamento básico, desenvolveu estudos e experiências desde 1980 e, através de norma interna de 1983, passou a utilizar o critério da tração trativa para a determinação da declividade mínima, adotando o valor de 
. Estudos posteriores constataram que esse limite é desfavorável à formação de sulfetos em canalizações com diâmetros maiores que DN 300, sulfetos esses responsáveis pela formação de ácido sulfúrico junto à geratriz superior dos tubos, causando a deterioração de materiais não imunes à ação desse ácido. 
	O eng. Miguel Zwi traçou em papel bi-logarítmico as curvas “lugar geométrico” de 
no plano vazão X declividade, a partir de relações geométricas e trigonométricas simples, associadas às fórmulas de Manning e da continuidade. O resultado foi um feixe de curvas de fraca curvatura, relativas aos diâmetros usuais, que substituídas por uma única reta, resultou na seguinte equação, para n = 0,013; 
	
 com Q em L/s e Io em m/m 
	Os pontos correspondentes aos diâmetros DN 100 a DN 400 e a reta resultante são mostrados na Figura 3.2. (b), onde 
> 1Pa na região acima da reta. 
	
	
 Figura 3.2. (b) – Declividade mínima Iomín em função da vazão para tensão trativa 
=1,0 Pa. 
Observa-se que a declividade que promove a auto-limpeza é inversamente proporcional à vazão e conseqüentemente ao diâmetro, o que possibilita maiores valores da tensão trativa para os grandes condutos, com resultados favoráveis para evitar a formação de sulfetos (vide “Tensão trativa: critério econômico para dimensionamento”Tsutiya e Machado Neto – Revista DAE 140, março 1985). 
	Posteriormente a norma brasileira NBR 09649/1986 adotou esse procedimento no dimensionamento de redes coletoras de esgoto sanitário. 
	h) Velocidade crítica 
	A norma NBR 09649 (NB 567) da ABNT traz a seguinte disposição: 
	“5.1.5.1 – Quando a velocidade final vf é superior à velocidade crítica, a maior lâmina admissível deve ser 50% do diâmetro do coletor, assegurando-se a ventilação do trecho; a velocidade crítica é definida por 
, onde g = aceleração da gravidade”. 
	A preocupação é devida ao fato de que escoamentos muito turbulentos propiciam a entrada de bolhas de ar na superfície do líquido, resultando numa mistura ar-água (não é ar dissolvido), que ocasiona um aumento da altura da lâmina líquida. Caso o conduto venha a funcionar como conduto forçado em razão desse gerar pressões que levam à destruição da tubulação (cavitação). Para condutos de elevada declividade e maior essa possibilidade se torna certeza de ser evitada. Duas medidas são necessárias: 
- garantir o escoamento em conduto livre; 
- estabelecer a fronteira da entrada de ar no escoamento. 
	Para a primeira, estudou-se a grandeza do acréscimo de altura da lâmina no escoamento aerado. Considerando a situação mais desfavorável da lâmina máxima admissível, no caso de esgoto sanitário 75% do diâmetro para lâmina sem mistura, conclui-se ser inviável a manutenção desse limite, reduzindo-o portanto para 50% do diâmetro quando a fronteira fosse atingida. Isso permite um acréscimo de até metade da lâmina para atingir o limite anterior (condição segura de operação), restando ainda 25% de altura livre. Não resolve todos os casos, mas é suficiente para as situações mais comuns. Nos casos extremos, os acréscimos de lâmina devem ser calculados e adotados dutos de ventilação para evitar os transientes hidráulicos. 
	Quanto à segunda medida, a análise dimensional, pesquisas e medições concluíram que entre os adimensionais relacionados ao escoamento, números de Reynolds, Weber, Froude e Boussinesq, este último, 
, é o mais importante para retratar o fenômeno da entrada de ar no escoamento. Pesquisas efetuadas por Volkart (1980) concluíram que a mistura ar-água se inicia quando o número de Boussinesq é igual a 6, definindo-se assim uma velocidade crítica (vc) para o início do fenômeno: 
	
	
 
	
 = velocidade crítica em m/s
 
 = raio hidráulico em m 
	g = aceleração da gravidade (9,8 m/s2) 
3.3 – Grandezas e notações 
	Conforme NBR 09649/1986 da ABNT, as grandezas se encontram relacionadas na Tabela 3.3.(a). 
Tabela 3.3 (a) – Grandezas e notações 
	1. 
	População e correlatos 
	Notação
	Unidade
	1.1
	Densidade populacional inicial 
	
	
	1.2
	Densidade populacional final 
	
	
	1.3
	População inicial 
	Pi
	
	1.4
	População final 
	Pf
	
	
	
	
	
	2.
	Coeficientes ligados à determinação de vazões 
	Notação
	Unidade
	2.1
	Coeficiente de retorno 
	C
	-
	2.2
	Coeficiente de máxima vazão diária
	
	-
	2.3
	Coeficiente de máxima vazão horária
	
	-
	2.4
	Coeficiente de mínima vazão horária 
	
	-
	2.5
	Consumo de água efetivo per-capita (não inclui perdas do sistema de abastecimento): 
	
	
	2.5.1
	Consumo efetivo inicial 
	
	
	2.5.2
	Consumo efetivo final 
	
	
	
	
	
	
Continuação da Tabela 3.3 (a) 
	3. 
	Áreas e comprimentos 
	Notação
	Unidade
	3.1
	Área esgotada inicial para um trecho da rede 
	
	
	3.2
	Área esgotada final para um trecho da rede 
	
	
	3.3
	Comprimento de ruas 
	L
	Km
	3.4
	Área edificada inicial 
	Aei
	
	3.5
	Área edificada final 
	Aef
	
	
	
	
	
	4.
	Contribuições e vazões 
	Notação
	Unidade
	4.1
	Contribuição de infiltração 
	I
	L/s
	4.2
	Contribuição média inicial de esgoto doméstico
	
	L/s
	4.3
	Contribuição média final de esgoto doméstico
	
	L/s
	4.4
	Contribuição singular inicial 
	
	L/s
	4.5
	Contribuição singular final 
	
	L/s
	4.6
	Vazão inicial de um trecho de rede: 
	
	
	4.6.1
	Inexistindo medições de vazão utilizáveis no projeto, Qi = 
 (não inclui 
)
	Qi
	L/s
	4.6.2
	Existindo hidrogramas utilizáveis no projeto, Qi=
 (
= vazão máxima do hidrograma, composto com ordenadas proporcionais às do hidrograma medido) 
	Qi
	L/s
	4.7
	Vazão final de um trecho de rede: 
	
	
	4.7.1
	Inexistindo medições de vazão utilizáveis no projeto, 
	Qf
	L/s
	4.7.2
	Existindo hidrogramas utilizáveis no projeto, 
. (
= vazão máxima do hidrograma, composto com ordenadas proporcionais ao hidrograma medido)
	Qf
	L/s
	
	
	
	
	5.
	Taxas de cálculo 
	Notação
	Unidade
	5.1
	Taxa de contribuição inicial de superfície esgotada 
	Tai
	L/s.ha
	5.2
	Taxa de contribuição final por superfície esgotada 
	Taf
	L/s.ha
	5.3
	Taxa de contribuição linear inicial para uma área esgotada de ocupação homogênea 
	Txi
	L/s.km
	5.4
	Taxa de contribuição linear final para uma área esgotada de ocupação homogênea 
	Txf
	L/s.km
	5.5
	Taxa de contribuição de infiltração 
	TI
	L/s.km
	
	
	
	
Continuação da Tabela 3.3 (a) 
	6. 
	Grandezas geométricas da seção 
	Notação
	Unidade
	6.1
	Diâmetro
	do
	
	6.2
	Área molhada de escoamento, inicial 
	Ai
	
	6.3
	Área molhada de escoamento, final 
	Af
	
	6.4
	Perímetro molhado
	P
	
	
	
	
	
	7.
	Grandezas utilizadas no dimensionamento hidráulico 
	Notação
	Unidade
	7.1
	Raio hidráulico
	
	M
	7.2
	Declividade
	
	m/m
	7.3
	Altura da lâmina de água inicial
	yi
	m
	7.4
	Altura da lâmina de água final
	yf
	M
	7.5
	Declividade mínima admissível
	
	m/m
	7.6
	Declividade máxima admissível
	
	m/m
	7.7
	Velocidade inicial 
	vi
	m/s
	7.8
	Velocidade final 
	vf
	m/s
	7.9
	Tensão trativa média 
, sendo 
 = peso específico da água = 104 N/m3
	
	Pa
	
	
	
	
	8. 
	Valores de coeficientes e grandezas 
	Notação
	Unidade
	
	Inexistindo dados locais comprovadosoriundos de pesquisas, podem ser adotados os seguintes: 
	
	
	8.1
	C, coeficiente de retorno
	0,8
	
	8.2 
	
, coeficiente de máxima vazão diária 
	1,2
	
	8.2
	
, coeficiente de máxima vazão horária 
	1,5
	
	8.3
	
, coeficiente de mínima vazão horária 
	0,5
	
	8.4
	TI, taxa de contribuição de infiltração; depende de condições locais tais como: NA do lençol freático, natureza do subsolo, qualidade da execução da rede, material da tubulação e tipo de junta utilizada. O valor adotado deve ser justificado
	0,05 a 1,0 
	L/s.km
	
	
	
	
3.4- Rede coletora. Traçado 
	A planta topográfica em escala convencional (1:2000, por exemplo) deve indicar ao menos o arruamento, as curvas de nível, as cotas de pontos característicos (cruzamento de ruas), os talvegues, a rede existente eventual, os cursos d’água ou outros locais de descarga do esgoto coletado e as interferências ao caminhamento dos coletores, porventura existentes (adutoras, galerias, etc.). 
	Sobre essa planta devem ser indicadas a área a ser esgotada e as áreas de expansão futura, identificando os pontos dessas futuras contribuições, bem como os pontos de contribuições singulares significativas (indústrias ou hospitais). 
	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 órgãos acessórios (PV’s PI’s ou Tl’s) adequados a cada situação, respeitando a distância máxima entre eles (100 m, por exemplo). 
	Em cada PV ou PI representado, indicam-se as canaletas de fundo necessárias para o escoamento, podendo ter várias entradas, mas uma única saída. Essa indicação das canaletas é que define o traçado decidido do projeto. 
	Em seguida devem ser identificados os coletores e seus respectivos trechos, recebendo o número 1 o coletor principal, o de maior extensão da bacia. Os outros coletores recebem números seqüenciais na mesma ordem em que chegam ao coletor principal. Dessa forma ter-se-á sempre números maiores contribuindo para números menores. Os trechos dos coletores também recebem numeração seqüencial crescente de montante para jusante. 
	Entre os tipos de traçados, releva-se o tipo distrital ou radial, específico para regiões planas (litorâneas), que divide a área em distritos de coleta onde, para evitar aprofundamento, se concentra o esgoto em um único ponto e daí afasta-se-o por uma elevatória. 
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