Redes de Abastecimento

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Redes de Distribuição de Água
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Introdução
Rede de distribuição é o conjunto de peças especiais e acessórios destinados a conduzir a água até os pontos de tomada das instalações prediais ou os pontos de consumo público, sempre de forma contínua e segura
Componente de maior custo do sistema: 50 a 75% do custo total de um sistema de abastecimento
Parte do sistema mais próxima ao consumidor
Merece especial atenção quanto à qualidade da água e suas perdas 
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Tipos de rede
Normalmente se tem dois tipos de canalizações:
Principal: conduto tronco ou canalização mestra  maior diâmetro
Secundária: abastecem os pontos de consumo de água  menor diâmetro
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Tipos de Rede
Ramificada: recomendada somente em casos em que a topografia e os pontos a serem abastecidos não permitam o traçado da rede malhada
Redes em espinha de peixe:
Redes em grelha: 
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Tipos de Rede
Malhada: pode-se abastecer qualquer ponto da rede por mais de um caminho
Rede malhada em anéis: mais comum na maioria das cidades, maior número de registros a serem manobrados
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Tipos de Rede
Rede malhada em blocos: facilita a implantação de controle de perdas, as redes internas aos blocos são alimentadas apenas por 2 pontos
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Tipos de Rede
Rede mista
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Traçado dos Condutos
Deve-se levar em consideração:
Ruas sem pavimentação;
Ruas com pavimentação menos onerosa;
Ruas de menor intensidade de trânsito;
Proximidade de grandes consumidores;
Proximidade das áreas e de edifícios que devem ser protegidos contra incêndio 
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Regras Básicas para o 
Lançamento da Rede
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Definições
Área específica: 
Área cujas características de ocupação a torna distinta das áreas vizinhas em termos de concentração demográfica e de categoria dos consumidores presentes (comercial, industrial, público e residencial)
Consumidor especial: 
é aquele que deverá ser atendido independentemente de aspectos econômicos que se relacionam com o seu atendimento.
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Definições
Consumidor singular
é aquele que ocupando uma parte de uma área específica, apresenta um consumo específico, significativamente maior que o produto da vazão específica da área, pela área por ele ocupada.
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Topografia
Planta baixa com levantamento plani-altimétrico (curvas de nível de metro em metro) 
Planta com indicação dos lotes e áreas de expansão, incluindo loteamentos aprovados ou previstos, indicação dos consumidores especiais e singulares, localização de estradas e outros obstáculos naturais que necessitem de obras especiais de travessia ou locação
Define-se a área abastecível, as zonas de pressão, as áreas de igual vazão específica, etc.
Devem ser definidos os contornos das diferentes áreas específicas, considerando as ocupações comerciais, residenciais, industriais e especiais
A área abastecível deve conter as diferentes áreas específicas do perímetro urbano atual e de expansão, de acordo com a legislação atual e ocupação do solo
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Zonas de pressão
a rede de distribuição poderá ser subdividida em tantas zonas de pressão quanto for necessário para atender as condições de pressão impostas pela NBR 12218/94
a localização do(s) reservatório(s) se faz em função das zonas de pressão, examinando a topografia, centro de consumo, etc.
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Zonas de pressão
A pressão estática máxima permitida em tubulações distribuidoras será de 50 m.c.a. e a pressão dinâmica mínima será de 10 m.c.a.
Partes de uma mesma zona de pressão poderão apresentar pressão estática superior à máxima e dinâmica inferior à mínima, desde que sejam atendidas as seguintes condições: 
A área abastecida com pressões estáticas superiores a 50 m.c.a.:
Até 10% da área da zona de pressão, desde que não seja ultrapassada uma opressão de 60 m.c.a
Até 5% da área da zona de pressão desde que não seja ultrapassada uma pressão de 70 m.c.a.
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Zonas de pressão
A área abastecida compressão dinâmica inferior a 15 m.c.a.:
Até a 10% da área da zona de pressão, desde que a pressão mínima seja superior a 10 m.c.a.
Até 5% da área da zona de pressão desde que a pressão mínima seja superior a 8 m.c.a.
além disso as áreas sujeitas a pressão inferior a 15 m.c.a. apresentem uma pressão estática máxima menor que 15% da pressão dinâmica mínima 
Para núcleos urbanos com população de projeto inferior a 5000 habitantes, poderão ser adotadas pressões mínimas de 6mca
Obs.: Caixas de quebra de pressão podem ser adotadas em cidades para resolver situações de altas pressões em áreas restritas
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Traçado dos condutos principais e secundários
Os condutos principais devem ser localizados em vias públicas, formando, preferencialmente, circuitos fechados
Os condutos secundários devem formar rede malhada, podendo ou não ser interligados nos pontos de cruzamento
Ao longo de condutos principais, com diâmetro superior a 300 mm, devem ser previstos condutos secundários de distribuição (pois eles não devem ser usados para inserção do ramal predial)
O comprimento máximo dos condutos secundários será de 300 mm quando alimentado em uma só extremidade e 600 mm quando alimentado por ambas extremidades
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DIÂMETRO DAS TUBULAÇÕES
O diâmetro mínimo das tubulações principais das redes calculadas como malhada será:
150 mm: p/ zonas comerciais ou zonas residenciais com densidade igual ou superior a 150 hab/km2
100 mm: p/ zonas de núcleos urbanos, Pop. projeto > 5000 hab
75 mm: p/ núcleos urbanos, Pop. projeto <= 5000 hab
DIÂMETRO DOS CONDUTOS SECUNDÁRIOS
D mínimo = 50 mm.
No caso de Pop < 5.000 habitantes e quota per capita < 100 l hab / dia  pode D inferior a 50 mm desde que a tubulação utilizada seja constituída de material resistente e se respeite: 
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Informações Importantes para o Lançamento das Redes
VELOCIDADE MÍNIMA E MÁXIMA
Vmín = 0,6 m/s
Vmáx = 3,5 m/s
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Análise do escoamento
a análise do escoamento nas redes de distribuição, deverá ser feita com o emprego da fórmula universal da perda de carga:
Onde:
J = perda de carga uniformemente distribuída (m/m);
f = coeficiente de perda de carga distribuída (admensional);
D = diâmetro hidráulico (m);
V = velocidade média na seção (m/s);
g = aceleração da gravidade (m/s2).
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Análise do escoamento
O coeficiente de perda de carga distribuída pode ser calculado através do diagrama de Moody, através da tabela (Norma) ou da fórmula de Colebrook-White, seguinte:
Onde:
f = coeficiente de perda de carga distribuída;
K = rugosidade uniforme equivalente (m);
D = diâmetro hidráulico (m);
R = número de Reynolds.
Os valores de K para os tubos novos mais usados para projeto de rede de distribuição são:
K = 0,1 para tubo de ferro fundido revestido internamente com argamassa de cimento e areia por centrifugação.
K = 0,06 para tubo de plástico.
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Funcionamento global
Nas redes em que os condutos principais formarem circuitos:
a análise do funcionamento global da rede, deve ser realizada com o emprego de métodos interativos, 
observados os limites máximos para os resíduos da vazão e da perda de carga de 1,0 l/s e 1,0 m.c.a., respectivamente. 
Devem-se atender os seguintes limites:
Será admitida que a distribuição de água nos condutos principais formando circuito seja feita em pontos singulares (nó) desses condutos, separados no máximo de uma distância de 500 m.
A cada ponto singular (nó) a que se refere o item “a”, corresponderá em parte da área abastecível a ser atendida pela rede de distribuição, que definirá a vazão a ser atendida pelo conduto principal.
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COMBATE A INCÊNDIO
O dimensionamento da rede pode considerar uma vazão para combate a incêndio. Estabelecimento por acordo entre o projetista e o órgão contratante.
Se demanda do sistema for < 50 l/s  pode-se dispensar a instalação de hidrantes na rede, devendo existir um ponto de tomada junto ao reservatório para alimentar carros-pipa para combate a incêndio.
Se demanda total
> 50 l/s, devem-se definir pontos significativos para combate a incêndio, mediante consulta ao corpo de bombeiros, e localizar as áreas de maior risco de incêndio.
Os hidrantes devem ser separados pela distância máxima de 600 m, contada ao longo dos eixos das ruas.
Os hidrantes devem ser de 10 l/s de capacidade nas áreas residenciais e de menor risco de incêndio, e de 20 l/s de capacidade em áreas comerciais, industriais, com edifícios públicos e de uso público, e com edifícios cuja preservação é de interesse da comunidade.
Os hidrantes devem ser ligados à tubulação da rede de diâmetro mínimo de 150 mm, podendo ser de coluna ou subterrâneo com orifício de entrada de 100 mm, para as áreas de maior risco, ou do tipo subterrâneo com orifício de entrada de 75 mm, para áreas de menor risco.
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Consumidores singulares
Cada nó corresponde aos consumidores singulares, se a rede for dimensionada como circuitos fechados ou uma derivação se a rede for dimensionada como rede ramificada.
É considerado consumidor singular, aquele cujo consumo apresenta as características:
A rede sendo malhada, o consumo é igual ou maior à menor vazão que seria verificada caso o consumidor inexistisse, em qualquer dos nós das malhas definidas pela tubulação principal que o abastecerá.
A rede sendo ramificada, o consumo é igual ou maior à menor vazão de qualquer de suas derivações.
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Vazão para dimensionamento da rede
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Vazão para dimensionamento da rede
Para a determinação da vazão concentrada nos nós do sistema, deve-se multiplicar o valor da área a que corresponde cada ponto pela vazão específica dessa área
Pode ocorrer duas ou mais vazões específicas em uma mesma área de influência de um nó  a vazão concentrada será a soma das vazões totais de cada uma das parcelas correspondentes às áreas da mesma vazão específica
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Recomendações para as vazões de dimensionamento
Devem ser estabelecidas as vazões para dimensionamento para atender áreas específicas
As vazões para as áreas de expansão devem ser consideradas
Devem ser identificados os consumidores singulares e os respectivos consumos, mediante levantamento de campo ou outro procedimento devidamente justificado
Não devem ser previstas demandas especiais para combate a incêndio em condições operacionais da rede
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Dimensionamento das Redes Malhadas
Trata-se de um problema complexo  não se conhece inicialmente o sentido do escoamento da água nas tubulações da rede
Tendência atual é a utilização cada vez maior dos métodos de otimização econômica para o dimensionamento dos sistemas de distribuição
O dimensionamento ótimo será aquele cujo custo de implantação e operação da rede de tubulações e da EE seja mínimo
Geralmente  soluções aproximadas chegando-se por tentativas à precisão desejada
Métodos mais conhecidos:
Método do seccionamento
Método de Hardy-Cross (cálculos iterativos)
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Método do Seccionamento
Transforma a rede malhada em uma rede ramificada fictícia
Em geral, adotado para cidades pequenas
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 Traçam-se as tubulações da rede na planta da cidade, que geralmente devem coincidir com o eixo das ruas;
Determinam-se os comprimentos de todos os trechos da rede, os quais são limitados pelos pontos de cruzamento (nós) e pelas extremidades livres das tubulações. 
Se os trechos, assim definidos, possuírem grande extensão ou apresentarem cotas topográficas intermediárias bem superiores ou inferiores as das extremidades, então serão devidamente desdobrados; 
Define-se, com base nas curvas de nível de metro em metro, as cotas topográficas dos cruzamentos e das extremidades livres;
Tem-se o esboço da rede, inclusive comprimentos e cotas topográficas.
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Transforma-se através de um seccionamento criterioso, a rede malhada em ramificada
Para tanto, a partir do reservatório, faz-se com que todos os pontos de cruzamento e extremidades livres da rede sejam atingidos pelo menor percurso da água 
Nessa operação, desenha-se uma pequena seta ao lado de cada trecho, para indicar o sentido de escoamento da água, bem como um pequeno traço cortando a extremidade de jusante do trecho que for seccionado para indicar que essa extremidade funciona como se fosse livre.
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SEQUÊNCIA DE CÁLCULO
Determina-se a vazão em cada trecho, a partir da taxa de consumo linear:
Qmáx  vazão total da rede
L  comprimento total da rede
Partindo das pontas secas (de jusante para montante):
Vazão de jusante: zero
Vazão de demanda no trecho: qm x l (comprim. do trecho)
Vazão de montante: vazão de jusante + demanda do trecho
A vazão de montante de um trecho será a de jusante do seguinte
Vazão de dimensionamento de cada trecho, é uma “vazão fictícia”:
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Dimensionamento dos trechos:
Estabelecem-se:
Limites de velocidade para cada diâmetro
Limites de pressão para o funcionamento da rede
Admitem-se os diâmetros de cada trecho e determinam-se as pressões 
Calculam-se as perdas de carga em cada trecho em função das vazões de dimensionamento e das velocidades limites
Para o ponto da rede de condições mais desfavoráveis no que tange à cota topográfica e ou à distância em relação ao reservatório, estabelece-se a pressão dinâmica mínima (15 m.c.a.) ou estática máxima (50 m.c.a.). O limite inferior é estabelecido, a fim de que a rede possa abastecer diretamente prédios de até dois pavimentos.
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Cálculo das cotas piezométricas (pressão dinâmica mínima mais a cota topográfica):
A partir da cota piezométrica do ponto mais desfavorável
Calculam-se as cotas piezométricas de montante e de jusante de cada trecho
Com base nas perdas de carga já definidas
Obs.: As pressões dinâmicas ou disponíveis em cada trecho são obtidas pelas diferenças entre as cotas piezométricas e as cotas de terreno.
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Método do Seccionamento
As pressões resultantes nos pontos de seccionamento pelos trajetos possíveis da água da rede ramificada fictícia, devem ser aproximadamente iguais
Tolerável: as diferenças não devem exceder 5% do valor médio dos pontos calculados
Caso distribuição não satisfatória da rede ou altura exagerada do reservatório de distribuição  altera-se o traçado da rede, o seccionamento ou diâmetros de alguns trechos
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Exemplo
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Método Hardy Cross
Este método é aplicável em geral para cidades médias e grandes
Método iterativo e que se caracteriza pela hipótese de abastecimento da área através de anéis ou circuitos, formados pelos condutos principais e pelas seguintes regras básicas:
Em um nó qualquer, Q = 0, sendo positivas as vazões afluentes e negativas as vazões efluentes;
Em um anel (circuito) qualquer, hf = 0, sendo positivas as perdas de carga coincidentes e negativas as contrárias a um prefixado sentido de caminhamento.
Os condutos secundários são dimensionados pelos diâmetros mínimos estabelecidos
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Método Hardy Cross
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Método Hardy Cross
Uma rede malhada com m anéis e n nós gera:
 m + (n-1) equações independentes 
 complexidade,  número de equações
Método de aproximações sucessivas  Hardy-Cross
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Método Hardy Cross
Depois de lançados os anéis da rede (mín 2) são definidos pontos fictícios localizados nas tubulações
Os pontos substituem vazões por unidade de área em vazões pontuais
Como se toda rede fosse suprida através dos anéis
As vazões em marcha são substituídas por uma vazão constante
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Método Hardy Cross
Tem-se uma tabela, conforme o modelo:
A vazão de distribuição é a vazão máxima horária
Onde
q = vazão específica de distribuição (l/s.ha)
Qmáxhorária = vazão máxima horária (l/s)
A = área abastecível (ha)
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Método de Hardy-Cross
A vazão de carregamento dos nós é dada pela fórmula:
		Q(n) = q.An
Onde: Q(n) = vazão de carregamento de nó (l/s)
			q = vazão específica de distribuição (l/s.ha)
			An = área correspondente ao nó (ha)
Atribui-se, partindo-se dos pontos de alimentação,
uma distribuição de vazão hipotética Qa pelos anéis, obedecendo em cada nó à equação da continuidade SQi=0
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Método de Hardy-Cross
Determinar o diâmetro de cada trecho com base na velocidade econômica
Para cada trecho de cada anel, calcula-se a perda de carga em todos os anéis. Se hf = 0, a distribuição de vazões estabelecida está correta
Não satisfeita a condição de hf = 0, deve-se determinar as correções de vazão pela fórmula:
n=2 (fórmula universal), n=1,85 (hazen-williams)
As novas vazões em cada trecho serão: Q=Qa+ Q
Repete-se todas as operações até que o valor de Q se apresente igual ou menor que 0,1 l/s e hf  0,5 m
Determinados os valores finais de Q e D, calcula-se também os demais elementos (velocidade, cotas piezométricas e pressões disponíveis) 
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Exemplo
Densidade Demográfica: 500 hab/ha
Consumo per capta: 200L/hab.dia
K1=1,2
K2=1,5
Cota máxima do nível do reservatório: 800m
Cota mínima do nível do reservatório: 796 m
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Outras formas
Método Pimentel Gomes
Métodos de otimização econômica
Método PNL 2000
Método Granados
Algoritmos Genéticos
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PNL 2000
Pode ser aplicado a redes ramificadas e malhadas
Objetiva  solução pelo custo mínimo
Utiliza o modelo matemático de programação não-linear
Duas etapas: pré-dimensionamento e refinamento (ajuste)
O dimensionamento pode ser feito considerando duas situações:
A altura manométrica de alimentação é tida como conhecida, sendo um valor fixo do problema
A altura é desconhecida, sendo mais uma variável a ser determinada
Minimiza-se a soma dos custos de implantação da rede e de sua operação, que é representada pelo custo da energia de bombeamento
Custos de implantação da rede são denominados fixos, ou de investimento
Custos com operação (gastos energéticos) são variáveis e incidem ao longo do alcance do projeto
Converte-se os custos variáveis em fixos, atualizando-se o custo de operação mediante a introdução de um coeficiente na função objetivo
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Roteiro Básico para Elaboração de Projetos de Redes de Distribuição de Água
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Órgãos e Equipamentos Acessórios
Válvula de manobra
Válvula de descarga
Ventosas
Válvula redutora de pressão
Válvula sustentadora de pressão
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Órgãos e Equipamentos Acessórios
	Válvula de descarga
São colocadas nos pontos baixos da rede, para esvaziar totalmente a tubulação.
	Válvula de manobra
São colocadas nas tubulações para restrição total ou parcial da passagem da água. Permite que em casos de acidentes ou demandas de emergência, seja minimizada a área de desabastecimento.
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Órgãos e Equipamentos Acessórios
	Ventosas
Peças de funcionamento automático que permitem a entrada e a saída de a das tubulações
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Órgãos e Equipamentos Acessórios
Válvula redutora de pressão
A válvula redutora de pressão é uma válvula de controle automática projetada para reduzir a pressão de montante a uma pressão constante a jusante
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Órgãos e Equipamentos Acessórios
Válvula sustentadora de pressão
Projetada para sustentar pressões mínimas a montante, independentemente da variação de vazão e pressão do sistema
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Setor de Manobra
Menor subdivisão da rede de distribuição para possibilitar o seu isolamento quando da realização de obras e serviços de reparos e manutenção, sem a necessidade de interromper o abastecimento de água no restante da rede
O setor de manobra deve abranger uma área que apresente uma ou mais das seguintes características:
Extensão da rede de 7000 a 35000 m
Número de economias entre 600 e 3000
Área entre 4 e 200 há
O isolamento do setor de manobra deve ser feito pelo acionamento do menor número de válvulas
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Setor de Medição
Parte da rede de distribuição, adequadamente delimitada e passível de individualização, que tem por finalidade permitir, o acompanhamento do consumo de água (avaliação das perdas) a partir de dados de medidores de pressão e de macro e micromedidores de vazão
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Setor de Medição
Na delimitação dos setores de medição, devem ser observados os critérios ou normas do órgão responsável pela operação do sistema
A delimitação de cada setor deve ser feita, preferencialmente, de modo que nele fiquem contidos os consumidores de uma mesma categoria funcional e social ou econômica
A alimentação do setor deve ser feita pelo menor número possível de pontos, de modo a minimizar o número de medidores e válvulas
Deve ser limitado a 20 o número de válvulas destinados ao isolamento de cada setor de medição
A extensão máxima da rede abrangida por cada setor de medição deve ser de 25 km
Os medidores de vazão ou pressão utilizados devem ser permanentes ou devem ter dispositivos para sua instalação provisória
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