05 Adutoras 2018 1

Prévia do material em texto

Renato Carlos Zambon 
Ronan Cleber Contrera 
Theo Syrto Octavio de Souza 
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo 
Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental 
PHA3412 - Saneamento 
ADUTORAS EM SISTEMAS DE 
ABASTECIMENTO DE ÁGUA 
Curso de água
Rede da 
zona ba ixa
Rede da zona a lta
Reservatório
Reservatório
e levado
Captação
Estação
elevatória
Estação
elevatória
ETA
Adutora 
Adutora de
água bruta
por reca lque
Adutora para o 
reservatório da 
zona a lta por 
recalque
Adutora para o 
reservatório da
zona ba ixa por 
gravidade
2 
CLASSIFICAÇÃO DAS ADUTORAS 
 
Quanto à natureza da água transportada 
 Adutoras de água bruta 
 Adutoras de água tratada 
 
Quanto à energia para a movimentação da água 
 Adutora por gravidade (conduto livre ou forçado) 
 Adutora por recalque 
 Adutoras mistas 
3 
ADUTORAS POR GRAVIDADE 
Conduto Forçado 
4 
ADUTORAS POR GRAVIDADE 
Conduto Livre 
5 
ADUTORAS POR GRAVIDADE 
Trechos em Conduto Livre e Forçado 
6 
ADUTORAS POR RECALQUE 
Recalque Simples 
7 
ADUTORAS POR RECALQUE 
Recalque Duplo 
8 
ADUTORAS MISTAS 
Trechos por Recalque e por Gravidade 
9 
VAZÃO DE ADUÇÃO (PROJETO) 
10 
Curso de água
Q a
Rede
Captação
Estação
elevatória
Estação de
Tratam ento
Q a Q b Q c
1
a esp1 ETA
K P q
Q Q C
86400
  
   
 
1
b esp1
K P q
Q Q
86400
 
  1 2
c esp2
K K P q
Q Q
86400
  
 
Esqueçam as fórmulas!!! O importante é o 
que deve ser considerado em cada caso... 
PERÍODO DE FUNCIONAMENTO 
DA ADUÇÃO 
 As vazões indicadas correspondem a adução 24 h/dia; 
 Deverão ser maiores se o período for reduzido, por 
exemplo entre 16-20 h/dia em uma linha por 
recalque; 
 Pode haver economia com operação fora de horário 
de ponta do sistema elétrico (início da noite). 
 
11 
HIDRÁULICA PARA ADUTORAS 
 Equação da energia entre duas seções transversais de um 
escoamento (Bernoulli): 
 
 
 
 z: carga de posição, cota (m) 
 p/g: carga de pressão (m) 
 V²/2g: carga cinética (m) 
 DH: perda de carga (m) 
12 
Linha piezométrica 
Linha de carga ou energia 
g g     D     D
2 2
1 1 2 2
1 1 2 2
2 2
p V p V
H z H H z H
g g
HIDRÁULICA PARA ADUTORAS 
 
13 
Escoamento em conduto livre 
Escoamento em conduto forçado 
HIDRÁULICA PARA ADUTORAS 
 
 Equação da continuidade: 
 
 
 
 Q: vazão (m³/s) 
 V: velocidade média na seção (m/s) 
 S: área da seção de escoamento (m²) 
 
 Obs: em canais pode ser necessário acrescentar as perdas por 
evaporação... 
14 
    
1 1 2 2
constanteQ V S V S
ESCOAMENTO EM CONDUTOS LIVRES 
Equação de Manning 
 Q: vazão (m³/s) 
 n: coeficiente de Manning 
 S: seção molhada (m²) 
 RH: raio hidráulico (m) 
 I: declividade da linha de energia (m/m) 
 
15 
2 /31
H
Q S R I
n
 
S e RH dependem da 
geometria da seção 
e da profundidade 
resultante 
RH = Seção molhada 
 Perímetro molhado 
16 
“Canal da Integração” / “Eixão das Águas” 
(Ceará, 255 km, 22 m³/s) 
17 
California Aqueduct (State Water Project) 
Dos Amigos Pumping Plant (36 m x 437 m³/s, 715 km) 
ESCOAMENTO EM CONDUTOS FORÇADOS 
Fórmula de Hazen-Williams 
 Normalmente utilizada para pré-dimensionamentos 
 
 
 
 Q: vazão (m³/s) 
 C: coeficiente de Hazen-Williams 
 D: diâmetro interno da tubulação (m) [D ≥ 100 mm] 
 j: perda de carga unitária (m/m) 
18 
2,63 0,54
0,2785Q C D j   
Coeficiente de Hazen-Williams 
19 
ESCOAMENTO EM CONDUTOS FORÇADOS 
Fórmula Universal 
 DH: perda de carga distribuída (m) 
 f: fator de atrito 
 L: comprimento da tubulação (m) 
 V: velocidade média (m/s) 
 D: diâmetro da tubulação (m) 
 k: rugosidade (m) 
 g: aceleração da gravidade (9,81 m/s²) 
 n: viscosidade cinemática (10-6 m²/s) 
 R: número de Reynolds 
 Q: vazão (m³/s) 
20 
2
2
4
2
Q
V
D
V D
R
L V
H f
D g

n




D 
ESCOAMENTO EM CONDUTOS FORÇADOS 
Fórmula Universal 
 Escoamento laminar (R<2500): 
 
 
 Escoamento turbulento (R>4000, Colebrook-White): 
 
 
 
 Crítico (transição): pode ser adotada interpolação linear 
21 
64
f
R

1 2,51
2 log
3,71f
k
D R f
 
    
 
ESCOAMENTO EM CONDUTOS FORÇADOS 
Fórmula Universal 
 Cálculo iterativo de f no escoamento turbulento, adota-se por 
exemplo f0=0,020, com poucas iterações o resultado converge: 
 
 
 
 
 Ou pode ser adotada a equação alternativa (Souza, 1986): 
22 
1
1 2,51
2 log
3,71
ii
f
k
D fR

 
    
 
 
0,9
1 5,62
2 log
3,71
k
Df R
 
    
 
23 
2
0,9
0,9
4
 ; 
64
1 5,62
2 log
3,71
:
64 1 5,62
1 ; 2 log
2500 3,71 400
escoam
2500
4000
2500 400
ento lam inar:
escoam ento tu rbu lento :
transição (in terpo lação linear):
0
02
Q V D
V R
D
f
R
k
D Rf
f
f
f
R
R
k
R
D
 n
 
 
 
 
     
 


 








 
2
2500
1 2 1
4000 2500
2
R
f f f f
L V
H f
D g














 
 


  
 
D 
Q,D,k,g,n V,R,f,DH 
Perda de Carga (Fórmula Universal) 
ESCOAMENTO EM CONDUTOS FORÇADOS 
Perdas Localizadas 
24 
2
2
C
V
H K
g
D 
TRAÇADO DA ADUTORA 
25 
 O traçado da adutora deve levar em consideração: 
 Presença de vias e terrenos públicos, áreas de proteção ambiental; 
 Planta e perfil do terreno (topografia); 
 Tipo de solo, rochas, várzeas, etc.; 
 Interferências e travessias (rodovias, ferrovias, rios, etc.); 
 Material da tubulação, ventosas, descargas, blocos de ancoragem, 
proteção contra corrosão; 
 São favoráveis traçados que apresentem trechos ascendentes longos 
com pequena declividade (>0,2%), seguido de trechos descendentes 
curtos, com maior declividade (>0,3%); 
 Quando a inclinação do conduto for superior a 25%, há necessidade 
de se utilizar blocos de ancoragem para estabilidade do conduto 
(varia com o material e tipo de junta...); 
 A linha piezométrica da adutora em regime permanente deve 
situar-se, em quaisquer condições de operação, sempre acima da 
geratriz superior do conduto. 
TRAÇADO DA ADUTORA 
26 
PLANTA E PERFIL DE 
UMA ADUTORA 
27 
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS 
por Gravidade em Conduto Forçado 
28 
descarga 
ventosa 
R1 
R2 
L.P. dinâmica 
L.P. estática (Q=0) z1 
z2 
DH 
Obs1: as L.P. acima são efetivas, descontada patm/g 
Obs2: quando a velocidade é baixa, a L.P. se confunde com a L.C. 
Q,L,DH  D 
Fórmula universal 
ou Hazen-Williams 
(DH = DZ) 
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS 
por Gravidade em Conduto Livre 
29 
R1 
R2 
L.P. acompanha 
o nível d’água 
z1 
z2 
DH/L=I 
Q,L,DH  
seção do canal pela 
equação de Manning 
 
Considerar remanso 
se houver variações 
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS 
30 
Velocidades máximas 
em condutos forçados: 
3,0 a 6,0 m/s 
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS 
por Recalque 
31 
R 
L.P. estática (Q=0) 
L.P. dinâmica 
z2 
DH 
Q,L,Hg,DH=?,D=? 
EE 
Hg 
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS 
por Recalque 
 O diâmetro é hidraulicamente indeterminado... 
 Depende de aspectos econômico-financeiros: 
32 
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORASpor Recalque 
 Pré-dimensionamento pela “fórmula de Bresse”: 
 
 
 E o comprimento? 
 Desnível? 
 
 X 
 
 Material? 
33 
 ; K = 0,9 a 1,2D K Q
R 
DH 
EE 
Hg 
R 
DH 
EE 
Hg 
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS 
por Recalque 
 Recomendações para o estudo do diâmetro econômico da 
adutora: 
 Pré-dimensionamento do diâmetro (dentro da faixa usual de 
velocidades ou perda de carga) e avaliação de alternativas 
considerando a vazão de projeto, o comprimento da adutora, 
o desnível geométrico, o material da tubulação 
 Análise econômica através do critério do valor presente 
 Consideração de todos os custos não comuns: tubulação, 
montagem, escavação e reaterro, equipamentos, energia 
elétrica 
 As obras e custos comuns não necessitam ser considerados 
34 
MATERIAIS DAS ADUTORAS 
 Aspectos que devem ser considerados na escolha: 
 Não ser prejudicial à qualidade da água 
 Alteração da rugosidade com o tempo (incrustação, etc.) 
 Estanqueidade 
 Resistência química e mecânica 
 Resistência a pressão da água (estática, dinâmica, 
transitórios) 
 Economia (não só custo da tubulação, mas instalação, 
aspectos construtivos, necessidade de proteção a 
corrosão, manutenção, etc.) 
35 
PRINCIPAIS MATERIAIS DAS TUBULAÇÕES 
 Materiais metálicos: 
 Aço 
 Ferro Fundido Dúctil 
 
 Materiais não metálicos: 
 Polietileno de Alta Densidade e Polipropileno (PE e PP) 
 PVC 
 Poliéster Reforçado com Fibra de Vidro (PRFV) 
 
 
36 
TUBULAÇÃO DE AÇO 
37 
Vantagens 
• Alta resistência às pressões 
internas e externas 
• Estanqueidade (com junta 
soldada) 
• Vários diâmetros e tipos de 
juntas 
• Competitivo principalmente 
em maiores diâmetros e 
pressões 
Desvantagens 
• Pouca resistência à 
corrosão externa 
• Precauções para transporte 
e armazenamento 
• Cuidados com a dilatação 
térmica 
• Dimensionamento das 
paredes dos tubos quanto 
ao colapso 
TUBULAÇÃO DE AÇO 
Revestimentos externos 
– FBE (Fusion Bonded Epoxy) 
– Polietileno tripla camada 
– Poliuretano tar 
– Primer epoxy com alumínio fenólico 
Revestimento interno 
– Coaltar epoxy 
38 
junta flangeada 
TUBULAÇÃO DE AÇO 
• Tipos de juntas 
junta soldada junta elástica 
(1) Junta soldada nas extremidades 
(2) Junta soldada nas extremidades com anel 
(3) Junta com solda dupla nas extremidades 
(4) Junta com solda tipo copo 
(5) Junta com solda nas duas extremidades 
Junta soldada Junta elástica 
39 
TUBULAÇÃO DE FERRO FUNDIDO DÚCTIL 
40 
• Diâmetros: 16 opções de 50 a 
1200 mm 
• Comprimento: 6 a 8 m 
• Classes: K-9, K-7 e 1 MPa 
• Revestimento interno com 
argamassa de cimento 
• Revestimento externo com 
zinco e pintura betuminosa 
• Tipos de juntas: 
 Elástica 
 Elástica travada 
 Mecânica 
 Flanges 
 
TUBULAÇÃO DE FERRO FUNDIDO DÚCTIL 
Detalhes das juntas de tubulações de ferro fundido dúctil 
Junta elástica 
Junta elástica travada 
Junta mecânica Junta de flange 
41 
TUBULAÇÃO DE 
POLIETILENO 
42 
• Diâmetros: 32 opções de 16 a 1600 mm 
• Comprimento: limitado pelo transporte, 
até centenas de metros sem juntas 
(emissários submarinos) 
• Classes: 9 opções de 40 a 250 mca 
• Sem revestimento interno ou externo 
• Leve e flexível 
• Estanqueidade 
• Resistência química 
• Resistência a abrasão 
• Menor rugosidade 
• Baixa celeridade (transitórios) 
• Principais juntas em adutoras: 
 Solda termoplástica (topo) 
 Flanges 
43 
Bombeamento de 4 m³/s, transferência Rio Grande - Taiaçupeba (RMSP) 
(2 tubulações em paralelo PE ø 1200 mm) 
OPERAÇÃO DAS ADUTORAS 
 
 Condições operacionais: 
 Condição normal: condição prevista no projeto como manobra 
de válvulas, enchimento e esvaziamento da adutora, partida e 
parada do bombeamento, etc. 
 Regime permanente 
 Transiente 
 Condição emergencial: falha operacional de dispositivos 
 Condição catastrófica: acidente operacional com riscos a vida 
e/ou danos excepcionais como o a ruptura em um ponto baixo 
 
44 
ENCHIMENTO DE ADUTORAS 
 Condição para enchimento: expulsão plena de ar, com 
gradativa e lenta admissão de água 
 Velocidade média para enchimento: 0,3 m/s 
 Válvulas para expulsão de ar: ventosas 
 
45 
ENTRADA DE AR EM ADUTORAS... 
46 
Nível muito 
baixo na 
entrada 
Descarga 
superior com 
introdução de ar 
Formação 
de vórtice 
BLOQUEIO DE ADUTORAS 
47 
 Consiste na paralisação do escoamento, ocasionada pela 
existência de ar confinado nos pontos altos da adutora 
Bloqueio da adutora por gravidade 
Bloqueio da adutora por recalque 
VENTOSAS EM ADUTORAS 
48 
ventosa simples 
• expelir o ar deslocado pela água durante o enchimento da linha; 
• admitir quantidade suficiente de ar, durante o esvaziamento da linha; 
• expelir o ar proveniente das bombas em operação e difuso na água 
(funcionando como uma ventosa simples). 
ventosa de tríplice função: 
DESCARGA EM ADUTORAS 
49 
Descarga da adutora em galerias, valas e córregos 
DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO DAS 
ADUTORAS 
Blocos de ancoragens 
Proteção contra corrosão 
Proteção contra os transitórios hidráulicos 
50 
BLOCOS DE ANCORAGEM 
Dimensionamento dos blocos - Dados necessários 
• Resultante das forças (direção e intensidade) 
• Tensão máxima admissível na parede lateral da 
vala 
• Coesão do solo 
• Ângulo de atrito interno do solo 
• Tensão máxima admissível pelo solo na vertical 
• Peso específico do solo 
• Especificações do concreto a ser utilizado 
• Atrito concreto-solo 
Critérios de cálculo 
• Por atrito entre o bloco e o solo (peso do bloco); 
• Por reação de apoio da parede da vala 
(engastamento). 
Forças envolvidas para o 
dimensionamento de um bloco de 
ancoragem 
R = força resultante; 
P = peso do bloco; 
W = peso do aterro; 
B = apoio sobre a parede da vala; 
f = atrito sobre o solo; 
M = momento de tombamento. 
51 
BLOCOS DE ANCORAGEM 
52 
ANCORAGEM DE ADUTORAS EM DECLIVE 
Assentamento de tubulação enterrada com ancoragem por trecho travado 
Assentamento de tubulação aérea: ancoragem tubo por tubo 
53 
PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO 
54 
Proteção catódica galvânica 
Proteção catódica por 
corrente impressa 
No caso de tubulações metálicas: 
Proteção catódica: injeção de corrente contínua na estrutura a ser 
protegida elevando seu potencial em relação ao meio 
LIMPEZA DE ADUTORAS 
 
55 
Sedimentação 
Deposição de minerais insolúveis em 
tubo de FD com revestimento. AAT 
 250 mm, ~ 15 anos, CHW ~ 95. 
Incrustação 
Incrustação em tubo de FD sem 
revestimento. AAB,  250 mm, ~ 
25 anos, CHW ~ 70. 
LIMPEZA DAS ADUTORAS 
 
Variação do coeficiente de Hazen-Williams 
devido a limpezas por raspagem 
56 
LIMPEZA DAS ADUTORAS 
 
Entrada e saída do “polly-pig” em uma adutora 
Introdução do “polly-pig” 
através de hidrante, sem 
registro 
Introdução de “polly-pig” 
através de uma peça 
especial 
Introdução do “polly-pig” 
através de uma peça em Y 
57 
LIMPEZA DAS ADUTORAS Polly-Pig 
 
58 
APLICAÇÃO DO REVESTIMENTO DE 
ARGAMASSA DE CIMENTO 
59 
Outros revestimentos: epóxi; poliuretano, etc. 
MEDIDORES EM CONDUTOS FORÇADOS 
60 
 Medidores de vazão e de pressão 
Venturi Orifício 
MEDIDORES EM CONDUTOS FORÇADOS 
61 
 Medidores de vazão 
– Ultrassônicos 
 Modo diagonal 
Modo reflexivo 
– Eletromagnéticos 
MEDIDORES EM CONDUTOS LIVRES 
Vertedores 
Calhas:Parshall, 
Palmer-Bowlus, etc. 
Medidor acústico 
(ADCP) 
etc. 
62 
Calha Parshall 
ETA1 Bebedouro (SAAEB) 
INTERVENÇÃO EM ADUTORAS EM CARGA 
63 
Derivação pelo processo de 
furação em carga da adutora do 
SAM Leste da RMSP 
TRAVESSIAS ENTERRADAS EM CURSOS 
D’ÁGUA 
64 
 Necessitam de outorga 
 Não devem interferir no corpo hídrico (gerar 
obstáculo no fundo) 
 Utilizar preferencialmente tubos de maior resistência 
mecânica 
 Envelopamento dos tubos com concreto magro (de 
baixa resistência) 
 
TRAVESSIAS AÉREAS EM CURSOS D’ÁGUA 
65 
 Necessitam de outorga 
 Estudo Hidrológico 
 Não devem interferir no corpo hídrico (construir acima 
da cota de cheia, com folga) 
 Diversos tipos de estruturas 
 Podem ser feitas junto a obras de arte existentes 
(aproveitando uma lateral por ex.) desde que 
autorizadas 
EXEMPLOS DE TRAVESSIAS AÉREAS 
66 
Exercício 
logo depois do intervalo! 
67 
68 
Lição de casa: 
ler páginas 155 a 
224