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PROJETO DE UM SISTEMA DE RESERVAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA SETOR SANTA RITA CATALÃO, GO 2017 SB1 | MEMORIAL DESCRITIVO E DE CÁLCULO SISTEMA DE RESERVAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA EQUIPE TÉCNICA ED CARLO ROSA PAIVA Docente AMANDA FREITAS SOARES CAIO FERREIRA GONÇALVES GABRIEL MOURA DE SOUZA JHESSIKA LEONEL DA SILVA JOÃO EDUARDO SOUSA DE FREITAS NADYNE FURQUIM GOULART DE OLIVEIRA POLYANA OLIVEIRA SOUZA STEFANNY ALVES MARTINS Discentes 1 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Localização município de Catalão ............................................................................. 9 Figura 2 - Tipos de solo ............................................................................................................ 10 Figura 3 - Áreas de Preservação Ambiental ............................................................................. 11 Figura 4 – Ponto de captação .................................................................................................... 13 Figura 5 - Estação de Tratamento de Água .............................................................................. 14 Figura 6 - Bairro Santa Rita – ano 2002. .................................................................................. 22 Figura 7 - Bairro Santa Rita – ano 2005 ................................................................................... 22 Figura 8 - Bairro Santa Rita – ano 2008 ................................................................................... 23 Figura 9 - Bairro Santa Rita – ano 2013 ................................................................................... 24 Figura 10 - Bairro Santa Rita – ano 2016 ................................................................................. 24 Figura 11 - Localização reservatório ........................................................................................ 26 Figura 12 - Tubulação de entrada de reservatório elevado ....................................................... 31 Figura 13 - Detalhes da tubulação de entrada com boia, saída, extravasor e descarga de um reservatório elevado .................................................................................................................. 32 Figura 14 - Traçado da rede malhada ....................................................................................... 34 Figura 15 - MPVC DEFoFo ..................................................................................................... 37 Figura 16 - Área de Influência .................................................................................................. 38 2 LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 1 - Função Logarítmica ............................................................................................... 18 Gráfico 2 - Função Exponencial ............................................................................................... 19 Gráfico 3 - Função Potencial .................................................................................................... 19 Gráfico 4 - Função Linear ........................................................................................................ 20 3 LISTA DE QUADROS Quadro 1 - Evolução Populacional da cidade de Catalão – GO ............................................... 15 Quadro 2 - Catálogo do reservatório escolhido ........................................................................ 29 Quadro 3 - Velocidades e vazões máximas em função do diâmetro ........................................ 40 4 LISTA TABELAS Tabela 1 - Estimativa populacional - Método Aritmético ........................................................ 16 Tabela 2 - Estimativa populacional - Método Geométrico....................................................... 17 Tabela 3 - População Estimada para o ano de 2005 método Aritmético e Geométrico ........... 17 Tabela 4 - População Estimada para Catalão com intervalo de 5 anos. ................................... 18 Tabela 5 - Estimativa populacional – Método da Curva Logística .......................................... 18 Tabela 6 - Equações das curvas e os coeficientes de correlação .............................................. 20 Tabela 7 - Comprimento Trechos ............................................................................................. 35 Tabela 8 - Vazão Concentrada.................................................................................................. 39 Tabela 9 - Verificação do equilíbrio de cada nó ....................................................................... 39 Tabela 10 - Perda de carga nos trechos. ................................................................................... 42 Tabela 11 - Variação de vazão. ................................................................................................ 42 Tabela 12 - Verificação do equilíbrio de cada nó ..................................................................... 43 Tabela 13 - Verificação das pressões em cada nó. ................................................................... 45 Tabela 14 - Velocidades máximas e mínimas .......................................................................... 46 SUMÁRIO SISTEMA DE RESERVAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA 1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS...........................................................7 2. OBJETIVOS.............................................................................................8 2.1. Objetivo Geral....................................................................................8 2.2. Objetivos Específicos...................................................................8 3. CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO.........................9 4. CARACTERIZAÇÃO DO SISTEMA EXISTENTE..................12 5. ESTUDOS DE CONCEPÇÃO E PLANOS EXISTENTES..............................................................................................12 6. METODOLOGIA..................................................................................14 7. ESTUDO POPULACIONAL............................................................14 7.1. Método Aritmético.......................................................................15 7.2. Método Geométrico....................................................................16 7.3. Método de Curva Logística.....................................................17 7.4. Método de Regressão Linear.................................................18 7.5. Estudo de caso..............................................................................21 8. RESERVATÓRIO................................................................................25 8.1. Vazão de demanda.....................................................................27 8.2. Volume de Reservação.............................................................28 8.3. Tubulação e órgãos acessórios............................................30 8.3.1. Entrada de água..........................................................................31 8.3.2. Para raio e Sinalização noturna........................................31 8.3.3. Registro de boia na entrada do reservatório............31 8.3.4. Extravasor......................................................................................32 8.3.5. Tubulação de saídae Dreno..............................................33 8.3.6Ventilação........................................................................................33 8.3.7. Fundações.....................................................................................33 8.3.8. Impermeabilização..................................................................33 8.3.9. Acesso ao interior do reservatório..................................33 SUMÁRIO SISTEMA DE RESERVAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA 9. SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO......................................................34 9.1. Material utilizado na canalização........................................36 9.2. Vazão específica de distribuição.........................................37 9.3. Vazão concentrada nos nós...................................................38 9.4. Vazão adotada nos trechos....................................................39 9.5. Diâmetro dos trechos................................................................40 9.6. Procedimento iterativo.............................................................41 9.7. Pressão nos nós.............................................................................44 9.8. Velocidades mínimas e máximas......................................46 9.9. Órgãos acessórios da rede de distribuição...................47 9.9.1. Válvula de manobra................................................................48 9.9.2. Válvula de descarga................................................................48 9.9.3. Ventosas.........................................................................................48 9.9.4. Hidrante.........................................................................................48 10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................... 49 7 1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS A água é um recurso natural imprescindível para a sobrevivência humana tanto para suas necessidades básicas quanto ao desenvolvimento industrial, diante disso é muito importante que haja um entendimento dos processos naturais que regem esse recurso. Em relação ao uso para necessidades básicas, deseja-se que todas as populações tenham acesso à água potável e um sistema de saneamento básico. Segundo a Organização Mundial de Saúde (OMS) saneamento é o monitoramento de todos os fatores do meio físico do homem que operam ou podem exercer efeitos nocivos sobre o bem-estar físico, mental e social. É o conjunto de ações adotadas em um local para a melhoria da vida e a saúde dos habitantes, impossibilitando que medidas prejudiciais possam atingir as pessoas no seu bem-estar. Isto é, Saneamento é um aspecto básico para um país ser considerado desenvolvido, sistema de tratamento de esgoto e água tratada equivalem à qualidade de vida, sobretudo redução de doenças de cunho hídrico e mortalidade infantil. No Brasil esse direito é garantido pela constituição e assegurado pela Lei nº. 11.445/2007. Contudo, de acordo com Instituto Trata Brasil (2016), o país convive com centenas de milhares de casos de internação por diarreias anualmente. E mais da metade de internações em hospitais de crianças com menos de 10 anos são oriundos da escassez ou inexistência de esgoto e água tratada. No Estado de Goiás, as cidades goianas, quanto aos índices da população beneficiada com serviços de saneamento básico, estão alcançando vantagem no que diz respeito a esse serviço. O Instituto Trata Brasil (2011) classificou a capital do estado, Goiânia, em 26° no ranking de saneamento Básico em uma pesquisa feita com as 100 maiores cidades do Brasil. O estado, por sua vez, ocupa a 5° posição em relação ao índice de saneamento nacional. Dessa forma, é de suma importância o estudo e a confecção de cálculos baseados em metodologias sólidas que permitam a definição de um método ideal para execução de obras hidráulicas que não venham pôr em risco a sociedade e futuros contratempos. Neste sentido, para levar água tratada a todos os domicílios alguns elementos compõem esse sistema de distribuição. A NBR 12217 - Projeto de reservatório de distribuição de água para abastecimento público (1994), conceitua e especifica um destes elemento, o reservatório. Elemento destinado a regularizar as variações entre as vazões de adução e de distribuição, de modo a condicionar as pressões na rede de distribuição. Já a norma interna da CAGECE, atribui a uma parte do sistema de abastecimento de água formada por tubulações e órgão acessórios, que se destina a conduzir água potável estando à disposição dos consumidores de forma 8 contínua, em qualidade, quantidade e pressão recomendada, a denominação de rede de distribuição. Assim, o presente trabalho tem como propósito projetar um sistema de reservação e distribuição de água para uma região da cidade de Catalão. Portanto, serão apresentados dados referentes a cidade, como sua localização, as principais vias de acesso, possíveis mananciais para abastecimento, histórico, bem como a estimativa populacional do município para o horizonte de projeto determinado. Em seguida serão expostos os cálculos e o detalhamento das peças, mais especificamente relacionados a reservatório e dimensionamento da rede de distribuição. 2. OBJETIVOS 2.1.Objetivo Geral Dimensionar um sistema de reservação e distribuição de água para o setor Santa Rita na cidade de Catalão. 2.2.Objetivos Específicos Estimar a população para um horizonte de projeto de 30 anos, com base nos últimos censos e contagens do IBGE para cidade de Catalão – GO; Analisar, a partir de métodos matemáticos, qual a melhor estimativa a ser escolhida, possibilitando assim, melhor vida-útil e a garantia de que o projeto irá atender a população neste período; Determinar a vazão demandada a partir da estimativa populacional; Dimensionar um reservatório e um sistema para distribuição de água. 9 3. CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO A cidade de Catalão está localizada no sudeste do estado de Goiás, a uma latitude de 18° 9' 57" sul e à longitude 47° 56' 47" oeste, na Figura 1, para melhor visualização Apêndice A, e possui uma área em torno de 3777,652 km² . A população no último censo, realizado em 2010 foi de 86647 habitantes e a população estimada para este ano foi de 102393 habitantes, dessa forma, em 2010 possuía uma densidade demográfica de 25,12 hab/km² (INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA – IBGE). Figura 1 - Localização município de Catalão Fonte: Próprios autores (2017). De acordo com SIMMI – Simpósio de Matemática e Matemática Industrial (2016), em relação aos aspectos climáticos, este município está inserido nos domínios de clima tropical úmido, ou seja, possui estações bem definidas, como o inverno seco e o verão chuvoso. A 10 quantidade de precipitações ao longo do ano ocorre entre os meses de outubro e abril, em quanto o tempo de seca prevalece entre maio e setembro. A temperatura média é em torno de 20°C, sendo que a mínima é em torno de 18°C e a máxima em torno de 27°C. No que se refere a vegetação, Catalão está no domínio do Cerrado, ou seja, possui vegetação de cerrado típico, campo cerrado, cerradão, veredas, além de manchas eventuais de mata atlântica. Esta região também apresenta uma pequena rede hidrográfica que pertence a Bacia do Paranaíba. Os tipos de solo presente neste município são Cambissolo, Latassolo, Podzolico e Terra Roxa, Figura 2, para melhor visualização Apêndice E, (Prefeitura de Catalão, 2017). Figura 2 - Tipos de solo Fonte: Próprios autores (2017). Quando diz respeito a economia, esta cidade se destaca na áreaindustrial, sendo que muitas industrias possuem sedes neste município, como a Mitsubishi, John Deere, Anglo 11 América e Vale Fertilizantes. Também se destaca no campo do minério, possuindo grandes jazidas, sendo o nióbio o minério mais explorado. Sendo assim, a mineração contribui consideravelmente para a economia de Catalão. A agropecuária é uma atividade econômica que também se destaca em Catalão, o município está entre os grandes produtores estaduais de soja, milho, trigo, arroz, feijão, café, mandioca e palmito de Goiás, sendo que o cultivo de grãos está mais presente no distrito de Santo Antônio do Rio Verde, onde também se destaca os rebanhos de aves e bovinos (SIMMI – Simpósio de Matemática e Matemática Industrial, 2016). Mesmo com agropecuária sendo um grande destaque em Catalão, sempre deve ter cuidado com as áreas de preservação ambiental, áreas essas apresentadas na Figura 3, para melhor visualização Apêndice C. Figura 3 - Áreas de Preservação Ambiental Fonte: Próprios autores (2017). 12 4. CARACTERIZAÇÃO DO SISTEMA EXISTENTE Segundo a SAE - Superintendência Municipal de Água e Esgoto de Catalão (2016), o fornecimento de água para a população é feito através da captação principal, localizada na Microbacia do Ribeirão Samambaia/Pari e uma captação auxiliar chamada, do ponto de vista técnico, de Zona de Reaproveitamento de Vazão do Ribeirão Pari. O Ribeirão Samambaia é um afluente do Ribeirão Pari que faz parte da Unidade Hidrográfica de Referência do Rio Veríssimo, situada na sub-bacia do Rio Paranaíba, dentro da Bacia Hidrográfica do Rio Paraná. O sistema de adução Samambaia/Pari é composto por duas estações elevatórias em série: Elevatória de Água Bruta (EAB), Captação Samambaia/Pari e a EAB Intermediária Samambaia/Pari. A elevatória Captação Samambaia/Pari aduz água bruta, da captação no ribeirão, até a Elevatória Intermediária Samambaia/Pari, e essa até a Estação de Tratamento de Água (ETA). Nas últimas décadas, Catalão teve um crescimento populacional considerável, isso por causa das Universidades instaladas na cidade que acabam atraindo jovens e também por causa das indústrias que fornecem oportunidades de emprego para aqueles que estão sem. Com essas mudanças, nos quatros que se passaram, o município sofreu bastante durante o período de estiagem, já que os rios que fornecem água para a cidade não possuíam vazão para abastecer todas as residências. Além disso, não houveram investimentos na obtenção de novas fontes de abastecimento, o que piorou a situação, fazendo necessário a criação de um programa de rodízio de água entre as regiões da cidade, já que vários bairros da cidade ficaram dias sem água. 5. ESTUDO DE CONCEPÇÃO E PLANOS EXISTENTES Tendo em vistas esses problemas apresentados, foram feitas algumas mudanças para reestabelecer o fornecimento continuo de água na cidade. A SAE juntamente com a Prefeitura Municipal (2017) está realizando a obra de duplicação da tubulação da adutora do Ribeirão Pari ao Samambaia, o que aumentaria a vazão, normalizando o abastecimento de água na cidade. Em quanto a duplicação da adutora não está concluída, foi feita a reativação de poços artesianos na cidade e também foram abertos mais poços na região dos bairros mais afetados com a escassez. Dessa forma, a população pode suprir as necessidades básicas, uma vez que 13 alguns bairros ficaram até uma semana sem água e quando a água chegava até as torneiras não havia pressão suficiente para que subisse até os reservatórios das residências. Sabendo de todos esses problemas enfrentados na cidade, foi feito um estudo para que possa ser feito um projeto de um sistema de reservação e distribuição para o bairro Santa Rita, considerando a ocupação máxima do bairro. A Figura 4 indica o ponto de captação que será feito no Rio Samambaia e tem coordenadas de latitude 18° 5'14.71"S e longitude 47°58'40.86"O. Figura 4 – Ponto de captação Fonte: Google Earth (2017). Para composição do sistema de abastecimento a Estação de Tratamento de Água (ETA) estará localizada no ponto mais alto da cidade no Morrinho São João com coordenadas de latitude 18° 9'17.33"S e longitude 47°56'39.75"O, Figura 5. 14 Figura 5 - Estação de Tratamento de Água Fonte: Google Earth (2017). 6. METODOLOGIA Para a concepção deste projeto utilizou-se as obras de Tsutiya (2006), Fernandez y Fernandez (2009) e Gomes (2006). Bem como as normatizações da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), a NBR 12211 - Estudos de concepção de sistemas públicos de abastecimento de água, a NBR 12217 – Projeto de reservatório de distribuição de água para abastecimento público e a NBR 12218 – Projeto de rede de distribuição de água para abastecimento público, e especificações do Manual de Normas Técnicas para Sistema de Abastecimento de Água da CAGECE. 7. ESTUDO POPULACIONAL Segundo Tsutiya (2006), obras de saneamento municipais têm que serem planejadas para servir uma determinada população, geralmente superior que a atual, equivalente ao crescimento demográfico em um intervalo de anos. Esse intervalo é nomeado de período de projeto ou plano de projeto, o qual varia entre período de 20 a 30 anos, neste caso de estudo, o intervalo adotado será de 30 anos. 15 Para Tsutiya (2006), o estudo de estimativa contempla a população do município no geral, sendo considerados: nascimentos, óbitos, migração, tamanho da área, e em alguns casos população flutuante. De acordo com Alcântara (2002) apud Tsutiya, para o estudo deve-se considerar as particularidades da área de projeto, suas peculiaridades socioeconômicas, urbanísticas e a dinâmica na ocupação do solo. Após estudado os métodos apresentando por Tsutiya (2006), foi escolhido os métodos matemáticos para a estimativa da população, a partir dos dados populacionais dos últimos censos demográficos, relativos a população urbana e rural, população residente e o número de domicílios ocupados dos últimos censos e a situação socioeconômica do município e sua importância para a região na qual está inserida. Conforme explanado por Tsutiya (2006), os métodos matemáticos foram os escolhidos para uma primeira análise da estimativa populacional. Com a colaboração de planilhas de dados Microsoft Excel® 2016, os resultados destes são apresentados em forma de quadros e gráficos ao longo do texto. Sendo o horizonte de projeto de 30 anos, será estimada a população da região a ser abastecida para o ano de 2047. Com os dados dos últimos censos demográficos do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), apresentados no Quadro 1, referentes a população urbana e rural do município de Catalão, fez-se a previsão da futura população. Quadro 1 - Evolução Populacional da cidade de Catalão – GO Ano Catalão Goiás Brasil 1991 54.525 4.018.903 146.825.475 1996 58.279 4.478.143 156.032.944 2000 64.347 5.003.228 169.799.170 2007 75.623 5.647.035 183.987.291 2010 86.647 6.003.788 190.755.799 2017 102.393 6.778.772 207.660.929 Fonte: IBGE - Censo Demográfico 1991, Contagem Populacional 1996, Censo Demográfico 2000, Contagem Populacional 2007 e Censo Demográfico 2010, População estimada 2017. 7.1.Método Aritmético O método, segundo Tsutiya (2006), deduz que a cidade esteja com desenvolvimento em progressão aritmética, ou seja, a taxa de crescimento kୟ é constante para cada ano que continua, da seguinte forma: 16 dP dt = kୟ (1) Onde, dP dt⁄ é a diferença populacional por unidade de tempo. Considerado a população Pଵ do penúltimo censo, ano tଵ, e a população do último censo Pଶ, anotଶ, e integrando-a entre os limites definidos tem-se: P = Pଶ + kୟ(tଶ − tଵ) (2) O método é mais utilizado para estimação de espaço tempo menor, entre 1 e 5 anos, podendo a curva ser ajustada por meio de uma análise de regressão linear. Assim sendo, a população de Catalão para o ano de 2047, calculada utilizando a Equação 2, é mostrado na Tabela 1. Tabela 1 - Estimativa populacional - Método Aritmético Ka P 2230,0 169.157 Fonte: Próprios autores (2017). 7.2.Método Geométrico O método, segundo Tsutiya (2006), deduz que o crescimento da cidade é estabelecido conforme uma progressão geométrica, cujo há aumento populacional na mesma porcentagem em iguais períodos de tempo. Considera-se o tempo como um exponencial para o acréscimo anual sobre a taxa. dP dt = kP (3) Onde as variáveis demonstradas são as mesmas definidas na Equação 1, exceto k, taxa de crescimento geométrico. A expressão geral para um ano t é dado por: P = Pଶ ൬ Pଶ Pଵ ൰ ቀ ୲ି୲మ୲మି୲భ ቁ (4) Então, utilizando a Equação 4, a estimativa populacional da cidade de Catalão é mostrada na Tabela 2. 17 Tabela 2 - Estimativa populacional - Método Geométrico Kg P 0,029755208 260.548 Fonte: Próprios autores (2017). 7.3. Método de Curva Logística O método, segundo Tsutiya (2006), acredita que a população aumenta em função do tempo para um valor limite de saturação (P). A curva possui três trechos, o primeiro trecho representa um crescimento acelerado, o segundo trecho, após o ponto de inflexão, apresenta crescimento retardado e terceiro e último trecho apresenta um crescimento propenso a estabilização. Entre os dois primeiros trechos existe um ponto de inflexão, assim sendo, a curva logística é uma assíntota. A equação logística é expressa por: P = k 1 + eୟିୠ (5) Em que: b = 1 0,4343d log P(K − Pଵ) Pଵ(K − P) (6) a = 1 0,4343 log K − P P (7) O método faz uso da variação da população em intervalos de tempos iguais, para a cidade de Catalão, foi utilizado um intervalo de 5 anos. A estimativa populacional para o ano de 2005 foi obtida por meio dos métodos aritméticos e geométrico mostrados nos Tabela 3 e 4. Tabela 3 - População Estimada para o ano de 2005 método Aritmético e Geométrico Aritmético Geométrico Ka 2230 Kg 0,029755208 P 75.497 P 74.670 Fonte: Próprios autores (2017). 18 Tabela 4 - População Estimada para Catalão com intervalo de 5 anos. Ano População 2000 P0 64.347 2005 P1 75.497 2010 P2 86.647 Fonte: Próprios autores (2017). Então, por meio das Equações 5, 6 e 7, foram encontrados os valores das variáveis 𝑎 e 𝑏, e a estimativa populacional pelo método da curva logística, Tabela 5. Tabela 5 - Estimativa populacional – Método da Curva Logística Ps A b P 150994,00000 0,029755 0,05951 139.534 Fonte: Próprios autores (2017). 7.4. Método de Regressão Linear Para execução da estimativa populacional por meio do método da regressão linear, foram utilizados os dados do Quadro 1. Segundo Gomes (2009), o modelo baseia-se no uso da ferramenta “Linha de Tendência Central” do software Microsoft Excel®. As funções para estimativa e os dados plotados obtidos por meio dos critérios logarítmico, exponencial, potencial e linear, estão apresentados nos Gráficos 1, 2, 3 e 4, respectivamente. Gráfico 1 - Função Logarítmica Fonte: Próprios autores (2017). y = 3.298.898,86ln(x) - 25.008.023,54 R² = 0,95 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000 1990 1995 2000 2005 2010 2015 P (n úm er o de h ab ita nt es ) t (anos) População Logarítmico (população) 19 Gráfico 2 - Função Exponencial Fonte: Próprios autores (2017). Gráfico 3 - Função Potencial Fonte: Próprios autores (2017). y = 51.175,1043191681000000e0,0250999215014654x R² = 0,9846224990727590 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 0 5 10 15 20 25 30 P (n úm er o de h ab ita nt es ) t (anos) Dados IBGE População Exponecial (população) y = 28.824,3751146362000000x0,3661245100562250 R² = 0,9367311396712940 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 0 5 10 15 20 25 30 P (n úm er o de h ab ita nt es ) t (anos) População Potencial (população) 20 Gráfico 4 - Função Linear Fonte: Próprios autores (2017). Tabela 6 - Equações das curvas e os coeficientes de correlação Sistema Equação R² Exponencial P = 51.175,104319168100 ∗ e,ଶହଽଽଽଶଵହଵସହସ∗ୟ (1) 0,9846 Linear P = 1.877,19 ∗ a − 3.678.309,35 (2) 0,96 Logarítmica P = 3.298.898,86 ∗ ln(a) − 25.008.023,54 (3) 0,95 Potencial P = 28.824,3751146362 ∗ 𝑎,ଷଵଶସହଵହଶଶହଵ,ଶ (4) 0,9367 Onde: P = população; a = ano. Fonte: Próprios autores (2017). A partir da avaliação dos valores do coeficiente de regressão R² de cada curva, constata que entre todas, as funções “Exponencial” (R²= 0,985) e “Linear” (R²= 0,96) foram as que mais se ajustaram aos dados, uma vez que quanto mais aproximado de 1 for o valor de R², melhor será o ajuste. Portanto, com o uso das funções “Exponencial” e “Linear” para o cálculo da população de Catalão em 2047, foram obtidos os valores estimados de 219.434 habitantes e 155.299 habitantes, respectivamente. Porém, para que uma população tenha um crescimento da forma Exponencial é necessário que a o munícipio analisado apresente um constante crescimento econômico, desenvolvimento tanto industrial quanto comercial. Devido a isso, o método pode ser falho por y = 1.877,19x - 3.687.309,35 R² = 0,96 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 P (n úm er o de h ab ita nt es ) t (anos) Dados IBGE População Linear (população) 21 não levar em conta esses fatores, fortemente influenciados pela economia local, a qual depende de setores industriais ligados diretamente ao consumo supérfluo, como exemplo, a montadora de veículos Mitsubishi, a qual emprega parte considerável da população ativa, e demais empresas mencionadas no item 3. O ideal seria considerar o método “Linear” para o estudo. Porém, o objetivo do presente trabalho é realizar um estudo e projetar um sistema de reservação e distribuição para um bairro de Catalão já existente, com pelo menos oito quadras, considerando sua ocupação máxima. Ao estimar a população atual do bairro por análise de área por densidade demográfica, o resultado obtido foi abaixo da realidade atual devido ao bairro apresentar bastantes moradias multifamiliar, neste caso, faz com que um lote possua mais de duas unidades consumidoras, logo a estimativa da população do bairro escolhido foi realizada com estudo de caso. 7.5. Estudo de caso O bairro situa-se no entorno da Universidade Federal de Goiás Regional Catalão, atualmente, conforme o plano diretor municipal à classifica com uma Zona Urbana de Usos Diversificados 1, área de uso misto com predominância residencial. Grande parte da sua população é constituída por universitários. O crescimento da área em estudo é considerado expressivo em relações às demais áreas, justamente pela localização da Universidade, que têm uma demanda constante de construções de moradias universitárias “kitnet’s”, logo, tende a uma saturação de moradias verticais. Para o estudo, foi realizado um levantamento histórico, mostrados nas Figuras 4 a 8, o qual demonstra como a ampliação da Universidade influência diretamenteno crescimento da região. Também, foram analisadas as unidades consumidoras presentes atualmente, sendo constatadas as residências familiar e as multifamiliar, bem como, o levantamento da quantidade de lotes vazios. A Figura 6 demonstra a situação do bairro no ano de 2002, a poligonal em azul é área de 8 bairros analisada, contendo 18 residências familiares. 22 Figura 6 - Bairro Santa Rita – ano 2002. Fonte: Adaptado Google Earth A Figura 7 demonstra a situação do bairro no ano de 2005, contendo 38 residências familiares na área analisada, já constando algumas moradias multifamiliar com interesse em aluguéis para universitários. Figura 7 - Bairro Santa Rita – ano 2005 Fonte: Adaptado Google Earth. 23 A Figura 8 demonstra a situação do bairro no ano de 2008, contendo 52 residências entre familiar e multifamiliar na área analisada e o início da ampliação da Regional Catalão, construção dos blocos didáticos, os quais influenciaram fortemente no desenvolvimento do bairro. Neste mesmo ano a criação dos cursos de Engenharia Civil, Minas e Produção na Regional, o que aumentou a demanda por moradia com a entrada de mais universitários. Figura 8 - Bairro Santa Rita – ano 2008 Fonte: Adaptado Google Earth. A Figura 9 demonstra a situação do bairro no ano de 2013, contendo 75 residências entre familiar e multifamiliar na área analisada e obras de ampliações da Regional Catalão, os blocos didáticos já em funcionamento, tendo uma demanda maior de universitários a procura de moradia, devido a boa localização do bairro em relação a Instituição. 24 Figura 9 - Bairro Santa Rita – ano 2013 Fonte: Adaptado Google Earth. A Figura 10 demonstra a situação do bairro no ano de 2016, contendo 82 residências, sendo 58 residências familiar e 24 residências multifamiliar na área analisada, restando 28 lotes vazios para futuras construções e um total de 110 lotes na área. Figura 10 - Bairro Santa Rita – ano 2016 Fonte: Adaptado Google Earth. 25 Para uma estimativa populacional de crescimento do Bairro foi considerado no ano de 2017, em uma residência familiar, 3 (três) habitantes por casa e em residências multifamiliar, 8 (oito) habitantes por lote de moradia construída, sendo que há habitações que ocupam mais de um lote, nestes casos serão considerados 16 (dezesseis) habitantes. Logo a população atual estimada é de 366 habitantes. Ao realizar estimativa de crescimento populacional uma linha de projeto de 30 anos, considerou que nos lotes vazios sejam construídas residência multifamiliar para universitários, resultando em oito habitantes por lote. Logo, foi estimado que teremos 52 residências multifamiliar e 58 residências familiar em 2047. Porém devido à demanda populacional ser preferencialmente universitária, estimou-se que haja a mudança das atuais famílias presente para alugar aos universitários. Então, para efeitos de cálculo da estimativa, com objetivo de estimar uma saturação, foi considerado 4 (quatro) habitantes em residências familiar e 8 (oito) nas residências multifamiliar. Portanto, foi estipulado, uma população de 648 habitantes para abastecimento, conforme a Equação 8. habitantes 6488)(52 4)(58 (8) A estimativa leva em conta também que essa demanda populacional ocasionada pelo Universidade na região seja distribuída entre os demais bairros ao seu entorno nos bairros: loteamento Ipanema, loteamento Leblon, bairro Universitário, Vila Chaud e outros. 8. RESERVATÓRIO Segundo Tsutiya (2003), reservatórios de distribuição compõem elementos essências em um sistema de abastecimento, dado que servem à diversos objetivos, também são os componentes do sistema que estão visíveis e mostram maiores saliências. Seus principais objetivos, são: regularizar a vazão, assegurar abastecimento contínuo, reservar água para situações excepcionais (incêndio, paralisações no sistema e entre outros acidentes), regularizar pressões, aumentar o rendimento dos conjuntos elevatórios e bombear água fora do horário do pico elétrico. Porém, apresentam algumas dificuldades, quanto ao seu custo elevado de implantação, a escolha de sua localização e o impacto ambiental gerado durante sua instalação. Conforme a NBR – 12217:1994 – Projeto de reservatório de distribuição de água para abastecimento público, “reservatório de distribuição é o elemento do sistema de abastecimento de água destinado a regularizar as variações entre as vazões de adução e distribuição e condicionar as pressões na rede de distribuição”. 26 De acordo com Tsutiya (2003), há vários parâmetros que possibilitam classificar os reservatórios, são eles: quanto à localização no sistema; quando à localização no terreno; quanto à sua forma; e quanto aos materiais de construção. Quanto a localização no sistema, são classificados em: reservatórios de montante, reservatórios de jusante e reservatório de posição intermediária. Devendo eles atender aos limites de pressões, sendo a pressão estática máxima de 500 kPa e a pressão dinâmica mínima de 100 kPa. Quanto à localização do reservatório no terreno podem ser classificadas em: enterrado, semienterrado, apoiado e elevado. Portanto, para o projeto à escolha foi um reservatório elevado localizado a montante da rede de distribuição. Essa escolha foi devido à necessidade de atender a pressão dinâmica mínima de 100 kPa (10 mH2O) da rede de distribuição com objetivo de garantir qualidade ao sistema. O reservatório está localizado, Figura 11, nas coordenadas 18°9'10.34"S, 47°55'45.19"W, do datum WGS 84, na cota 891,998 metros, sendo o início de rede na cota 892, portanto, justificando a necessidade da instalação de um reservatório elevado. Figura 11 - Localização reservatório Fonte: Adaptado Google Earth. Como entre o reservatório e a rede não possui declividade acentuada, que passe da pressão estática máxima de 500 kPa (50mH2O) e a área sendo somente para atender oito quadras do bairro Santa Rita, então avaliou-se que será necessário somente a instalação de um 27 reservatório de distribuição, visto que, a população estimada não é elevada e as pressões não alcançará valores elevados, logo, dentro dos limites de pressões. A escolha do material para construção do reservatório, por questões técnicas e econômicas, foi o aço, visto que apresenta processo de fabricação rápido, comparado à reservatórios de concreto armado, e menor peso próprio, sendo o ideal para tal situação que não necessita armazenar grandes volumes. 8.1. Vazão de demanda Em termos quantitativos de consumo de água em rede pública de abastecimento, inúmeras variações ocorrem ao longo do dia e do ano, tudo isso em decorrência das atividades e hábitos da população, condições climáticas, pressão na rede, preço da água e demais características próprias de cada região. Porém, de modo geral, durante a noite o consumo cai significativamente, enquanto que no período da manhã e tarde a vazão supera o valor médio, atingindo os maiores índices as doze horas (GOMES, 2003). Para quantificar essa demanda, Gomes (2003) apresenta duas variações, que segundo ele, devem ser levadas em conta para que seja feito o dimensionamento nas condições de máxima demanda. Essas duas são a variação estacional (ocorrendo durante todo o ano) e a horária (ocorrendo durante o dia). Tsutiya (2006) por sua vez, a fim de que se diminua erros de subdimensionamento e superdimensionamento, comenta sobre alguns modelos de previsão de consumo desenvolvidos pela Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo(SABESP) e pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT). Desses modelos, utilizou-se o consumo per capita de água para quando não existem medições. Adotando-se valores de consumo médio de água, no qual os coeficientes de variação de vazão foram encontrados em medições ou sistemas que apresentam características semelhantes. Será considerado a vazão do dia de maior consumo para o dimensionamento do reservatório, calculado pela Equação 9: hrs 3600 kqPQ 1 (9) Onde, Q: vazão máxima diária (l/s); P: população estimada de horizonte de projeto; q: consumo per capita (l/hab./dia); 28 Kଵ: coeficiente do dia de maior consumo. Hrs: quantidade de horas de abastecimento. Segundo Gomes (2009), o valor do coeficiente 𝑘1 varia entre 1,1 e 1,5, sendo no Brasil adotado o valor do coeficiente do dia de maior consumo igual à 1,2. O consumo per capita deve ser entre 100 e 200 l/hab./dia, para cidades que apresentam serviço público de abastecimento de água, logo, para o projeto foi adotado consumo per capita de 200 l/hab./dia, visando um sistema eficiente. A população a ser atendida estimada para o horizonte de projeto de 30 anos foi de 648 habitantes em uma área compreendida de 53500,8 m². Com os dados é possível determinar a vazão que o sistema comportará, utilizando a Equação 9, calcula-se: 18 3600 1,2200648Q m³/s 0,0024 l/s 2,4 Q 8.2. Volume de Reservação Segundo Tsutiya (2003) para elaborar os projetos de reservatórios faz uso das recomendações da norma da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) para definição do volume armazenado. Porém, para a norma 12218/1994 da ABNT, não existem dados suficientes que permitam determinar o volume mínimo armazenado, assim, o projetista pode partir de critérios, sendo um deles, o volume total de reservação sendo maior ou igual a 1/3 do volume distribuído no dia de maior consumo. De acordo com Orsini (1996) apud Tsutiya, o uso do volume de reservação de 1/3 do volume fornecido no dia de maior consumo, conforme recomendado pela norma da ABNT, origina-se do valor de 15,9% desse volume inferido para a curva de consumo na forma de senóide, somado de 15 % para eventuais emergências. Portanto, para determinação do volume de reservação, será utilizado a Equação 10. V = 1 3 ∙ Q ∙ 86400 (10) Em que: V é o volume de reservação (l); Q é a vazão máxima diária (l/s). Logo: V = 1 3 ∙ 2,4 ∙ 86400 29 V୲ = 69120 l ∴ 69,12 mଷ Para esse projeto optou-se por utilizar o catálogo da empresa FAZFORTE, especializada em caixas d’água e reservatórios de grande porte. De acordo com este, o reservatório que atende as necessidades do sistema é o reservatório elevado em formato de taça com capacidade de até 70000 m3 produzido em aço carbono. Segundo a FAZFORTE, esse tipo de material possui excelente resistência e durabilidade, facilitando a limpeza e manutenção do reservatório. O Quadro 2 possui as especificações desse modelo. Quadro 2 - Catálogo do reservatório escolhido Reservatório tipo taça – Coluna seca – 700000 litros (TCS 7003) Volume Altura total Altura da coluna Altura da taça Diâmetro da coluna Diâmetro da taça Altura do cone (l) (m) (m) (m) (m) (m) (m) 70000,00 21,00 12,00 8,40 1,59 3,20 0,60 Fonte: FAZFORTE (20--). Conforme mencionado anteriormente, a capacidade mínima do reservatório equivale a 15,9% do volume total, com isso tem-se: V୫í୬ = 0,159 ∙ V୲ (11) Em que: V୫í୬ é o volume mínimo do reservatório (l); V୲ é o volume total do reservatório (l). V୫í୬ = 0,159 ∙ 69120 V୫í୬ = 10990,08 l ∴ 10,99 mଷ A partir do volume mínimo do reservatório, é possível calcular a altura do nível mínimo de água para que o sistema funcione, bem como a altura do nível de água máximo, determinada pelo volume total. Para isso, foi preciso calcular o volume do tronco do reservatório e descontá- lo do volume mínimo calculado anteriormente para obter o volume mínimo do cilindro, conforme Equação 12. V୲୰୭୬ୡ୭ = π ∙ h 3 (12) Em que: V୲୰୭୬ୡ୭ é o volume mínimo do reservatório (m3); 30 H é a altura do tronco de cone (m3). Logo, V୲୰୭୬ୡ୭ = π ∙ 0,6 3 V୲୰୭୬ୡ୭ = 2,08044 mଷ Com isso, o volume do cilindro equivale a: V୫í୬ୡ୧୪୧୬ୢ୰୭ = 10990,08 − 2,08044 = 8185,68 mଷ Substituindo o valor do volume restante na Equação 13, referente ao volume de um cilindro genérico, é possível obter a altura de água no cilindro. Vୡ୧୪୧୬ୢ୰୭ = π ∙ Rଶ ∙ h (13) h = Vୡ୧୪୧୬ୢ୰୭ π ∙ Rଶ ∴ 8185,58 π ∙ 1,6ଶ = 1,02m A altura de água mínima do reservatório será obtida a partir da soma da altura de água no cilindro com a altura do cone, conforme segue abaixo: h୫í୬ = 1,02 + 0,60 = 1,62 m Por questões de projeto, a hmín adotada será de 1,65m. Para o cálculo da altura máxima de água, o processo seguido foi semelhante ao anterior. Entretanto, subtraiu-se o volume total reservado do volume do tronco de cone para que fosse obtido o volume máximo do cilindro, como segue abaixo: V୫á୶ୡ୧୪୧୬ୢ୰୭ = 69120 − 2,08044 = 66315,6 mଷ h = Vୡ୧୪୧୬ୢ୰୭ π ∙ Rଶ ∴ 66315,6 π ∙ 1,6ଶ = 8,245m Conforme mencionado anteriormente, é necessário levar em consideração a altura do cone, com isso, a altura máxima de água corresponde a 8,85 m. Essa altura também será a altura adotada de projeto. Assim, como a altura do reservatório é igual 9 metros, ainda restam 15 cm de altura livre. 8.3. Tubulação e órgãos acessórios As informações pertinentes sobre a tubulação e os órgãos acessórios exigidos em norma para o funcionamento do reservatório serão discutidos a seguir. O detalhamento do reservatório projetado encontra-se na Folha 2. 31 8.3.1. Entrada de água A entrada de água no reservatório pode ser feita em qualquer altura sendo afogada ou livre, conforme Tsutiya (2006). No Brasil, a entrada livre é usada mais frequentemente do que a entrada afogada, com isso, essa será a escolhida para o projeto. A Figura 12 apresenta esquematicamente como é a entrada livre do reservatório elevado escolhido. Figura 12 - Tubulação de entrada de reservatório elevado Fonte: Adaptado FAZFORTE (20--) 8.3.2. Para raio e Sinalização noturna O reservatório deve ser provido de um para raio tipo Franklin e apresentar sinalizadores noturnos, Folha 2. 8.3.3. Registro de boia na entrada do reservatório Para regular a entrada de água no reservatório será utilizada boia que serão comandadas pelo nível de água, evitando que o reservatório encha além da sua capacidade. Esse dispositivo será instalado na parte superior do reservatório, conforme Figura 13 (as cotas apresentadas na figura são desprezadas para o reservatório escolhido). 32 Figura 13 - Detalhes da tubulação de entrada com boia, saída, extravasor e descarga de um reservatório elevado (a) (b) Fonte: Tsutiya (2006). 8.3.4. Extravasor Conforme Tsutiya (2003), deve ser instalado um extravasor com capacidade máxima afluente, logo, o reservatório escolhido, modelo tcs 7003 da FAZFORTE, possui extravasor em seu topo com com diâmetro de "2 11 . A água que poderá extravasar irá ser coletada por um tubo vertical que descarrega em uma caixa, e a partir disso, segue para um corpo receptor. 33 8.3.5. Tubulação de saída e Dreno Segundo Tsutiya (2006), a tubulação de saída de um reservatório elevado encontra-se na laje de fundo, sendo o nível mínimo, situado um pouco acima. Em várias situações é necessário o uso de dispositivo supressor de vórtice,porém o reservatório escolhido não há necessidade. A tubulação de saída está localizado ao pé da taça, já executada pela empresa FAZFORTE e possui diâmetro de "2 11 . A tubulação possui fechamento por válvula de gaveta que é possível de manobra por dispositivo situado na parte externa do reservatório. É instalado uma saída de dreno com diâmetro de "2 11 , abaixo da tubulação de saída, qual o objetivo é realizar a drenagem do reservatório para manutenção e outros afins. 8.3.6. Ventilação Conforme Tsutiya (2006), é essencial um sistema de ventilação, devido à variação do nível da água dentro do reservatório, sendo necessário prever a saída de ar quando a lâmina desce ou sobe, assim evitando esforços causados pela variação de pressão interna. O reservatório modelo tcs 7003 executados pela empresa FAZFORTE possui um respiro no topo da taça, assim permitindo a ventilação interna. 8.3.7. Fundações A empresa FAZFORTE fornece o projeto de fundação necessário para a instalação do reservatório, Folha 3. 8.3.8. Impermeabilização A impermeabilização do reservatório é de acordo com o fabricante, sendo revestido internamente em tinta epóxi com certificado de potabilidade e externamente em esmalte sintético (FAZFORTE, 20--). 8.3.9. Acesso ao interior do reservatório Para que seja possível o acesso ao interior do reservatório, a empresa FAZFORTE, instala uma escada, a qual é fixada na parede interna do mesmo, sendo possível realizar a entrada por uma abertura na sua laje de cobertura, por meio de uma boca de inspeção com dimensões detalha, Folha 2. 34 9. SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO Os sistemas de distribuição compõem-se de tubulações que variam de diâmetro, podendo existir linhas paralelas e vazões que entram e saem no percurso, uma vez que os tubos interligam dois pontos. Estes sistemas de tubulações compõem-se de nós, trechos, malha e anel. Os nós são pontos onde exista uma quebra de continuidade na tubulação, ou seja, mudança de direção ou diâmetro, por exemplo. Tem-se, ainda, os nós virtuais, pontos aos quais se deseja caracterizar e calcular valores para o mesmo. A soma das vazões de entrada é igual as de saída nesses pontos selecionados (FERNANDEZ Y FERNANDEZ, 2009). A porção entre dois nós, segundo Fernandez y Fernandez (2009), chama-se trecho, as malhas são um circuito fechado formados por tubos que ligam diferentes caminhos, saem e retornam ao mesmo nó. Estas acompanham as malhas das ruas, envolvendo quarteirão por quarteirão. Por fim, o anel é um circuito de malhas que envolve uma região. Por meio destes conceitos, o Setor Santa Rita apresenta 16 anéis, 23 trechos, 8 malhas e 1 anel, tal como indicado na Figura 12, obtida com auxílio do software EPANET®, para melhor visualização ver Folha 1. Figura 14 - Traçado da rede malhada Fonte: Próprios Autores. 35 O traçado foi definido seguindo as recomendações de Tsutiya (2006) e da NBR 12218 (1994), foi delimitado o perímetro da área total a ser abastecida, 53500 m², tubulações localizadas em vias públicas, de comprimento limitado de 600 m, Tabela 7. Tabela 7 - Comprimento Trechos Trecho Comprimento (m) Trecho Comprimento (m) Trecho Comprimento (m) R - 2 45,40 6 – 7 48,31 10 - 13 62,90 2 – 1 135,04 7 – 4 62,50 13 - 14 122,63 1 – 5 63,12 7 - 10 62,31 14 - 9 62,16 5 – 4 28,79 10 - 9 123,68 9 - 10 123,68 4 – 3 125,47 9 - 8 62,18 11 - 12 64,70 3 – 2 64,46 8 - 7 124,56 12 - 13 87,71 4 – 7 62,50 11 - 10 67,83 13 - 10 62,90 7 – 8 124,56 10 - 7 62,31 12 - 16 74,96 8 – 3 62,00 7 - 6 48,31 16 - 15 226,40 5 – 6 61,73 6 - 11 61,74 15 - 14 43,83 Fonte: Próprios Autores. Para que seja efetuado o dimensionamento da canalização optou-se por utilizar o método de Hardy Cross. Dentro deste, encontram-se dois sub-métodos, o primeiro, utiliza dá compensação das perdas de carga, menos utilizado, e o segundo por compensação das vazões, ao qual é o mais empregado. Para a aplicação do método de Hardy Cross, é orientado uma sequência de cálculos. Sendo que na primeira parte é definido o traçado dos anéis e pontos de carregamento das vazões, assim adquirindo os comprimentos de cada trecho e suas cotas. Com esta etapa, pressupõe os pontos de entrada e saída, juntamente com os valores de cada vazão (TSUTIYA, 2009). Em seguida determina se a primeira distribuição de vazões, sendo esta aleatória, no entanto com o sentido de escoamento já determinado, positivo no sentido horário e negativo para o sentido anti-horário. Respeitando o princípio de que em cada nó a somatória das vazões deve ser zero. Logo após, admite-se um diâmetro para cada trecho da rede malhada (TSUTIYA, 2009). Posteriormente, seguindo o procedimento apresentado por Tsutiya (2009), para cada trecho da malha calcula-se as perdas de carga assim efetuando o somatório destas em todos os anéis. Sendo chamada de rede equilibrada, caso o somatório das perdas de carga seja igual a 36 zero. Caso um somatório de perda de carga de algum anel, não estiver com valor igual a zero, a rede não é equilibrada, sendo necessário a correção da vazão. Esta correção é realizada através da soma de um valor de correção ΔQ a vazão de cada trecho, obtém-se ΔQ utilizando a Equação 14. ∆Q = − ∑ ∆Q n ∑ ∆HQ (14) A partir das novas vazões definidas em cada anel é calculado novamente as perdas de carga, sendo necessário a realização deste procedimento até que os valores obtidos sejam zero ou próximo de zero, conforme a NBR 12218 (ABNT, 1994), ΣΔℎ ≤ ± 0,05 𝑚 e ΣΔ𝑄 ≤ ± 0,1 𝑙/𝑠. Com as vazões e diâmetros encontrados de cada trecho, se dá as velocidades de escoamento. Caso, ocorra da velocidade resultante for grande de algum trecho, isto acarreta na alteração do diâmetro da rede, sendo recalculadas as vazões (TSUTIYA, 2009). Logo após todas estas etapas, definidas as cotas piezométricas da água nos pontos de alimentação da rede, consegue-se determinar os valores das cotas piezométricas e as pressões disponíveis nos diversos pontos da rede. Uma vez que os valores das pressões forem impróprios, é necessário a modificação do sistema, sendo esta realizada por duas formas; alterando-se as cotas piezométricas nos pontos de alimentação, ou, recalcular a rede, assim modificando os diâmetros em trechos da rede (TSUTIYA, 2009). O passo a passo para o dimensionamento desta rede malhada é detalhado nos itens que se segue, todo o procedimento de cálculo pode ser analisado utilizando-se do Apêndice F. Além de utilizar o Método de Hardy-Cross, optou-se por determinar as vazões, perdas de carga e pressão por meio do software EPANET® versão 2.0. Obviamente, por utilizarem metodologias diferentes, os resultados também o são, porém não o deixa de ser próximo, validando ambos resultados. Os relatórios gerados pelo software estão contidos no Apêndice G. 9.1. Material utilizado na canalização De acordo com as especificações apresentadas por Tsutiya (2006), as redes de distribuição de água, constituídas por tubos e peças, necessitam possuir uma resistência tal que seja capaz de suportar pressões internas estáticas e dinâmicas, bem como, esforços externos. Os materiais, portanto, deverão resistir a tais carregamentos sem que haja deformação excessiva, esmagamento ou rupturas. 37 Por tudo isso, e seguindo as exigências da NBR 7665 de 2007 – Sistemas para adução e distribuição de água - Tubos de PVC 12 DEFoFo com junta elástica - Requisitos, optou-se por utilizar a linha MPVC DEFoFo da TIGRE Tubos e Conexões ®, Figura 13. Cuja aplicação é justamente para execução de sistemas de adução e distribuição tanto de água bruta, quanto de água tratada, para casos em que o sistema seja do tipoenterrado. A pressão de serviço é de 100 mca a 20° C, com junta elástica integrada de borracha EPDM (Estireno Butadieno) e rigidez de 1600 Pa. E segundo Fernandez y Fernandez (2009), possui um coeficiente de rugosidade igual a 140. Figura 15 - MPVC DEFoFo Fonte: Catálogo Técnico Tigre, 2016. 9.2. Vazão Específica De Distribuição O dimensionamento dos condutos forçados, estruturas e equipamentos de um sistema de abastecimento de água são função da vazão de água, que por sua vez, está intimamente ligada ao consumo médio por habitante, a variação de demanda e demais consumos, parâmetros esses relacionados a dados populacionais. Então, a previsão de demanda de água é de fundamental importância, tanto para a operação, quanto para futuras ampliações ou melhorias desses mesmos sistemas (TSUTIYA, 2006). Sabendo disso, a NBR 12218 (1994) define a vazão de distribuição como o consumo, isto é, quantidade de água utilizada num período de tempo, acrescido das perdas ao longo da rede. Essa vazão é definida de modo a atender áreas específicas, considerando aqueles consumidores singulares, não necessitando definir vazões para combate a incêndios em condições operacionais normais da rede. A determinação deste parâmetro é feita utilizando-se a Equação 15, que relaciona os coeficientes de variação Kଵ e Kଶ, o consumo per capita q é a densidade demográfica d. Essa é expressa em vazão por unidade de área. 38 qୢ = dqKଵKଶ 86400 (15) A densidade demográfica é determinada dividindo-se a população de projeto pela área, como visto em itens anteriores para uma área de 53500,77 m² e população de 648 pessoas, temos, portanto, que a densidade demográfica é de 0,012 hab./m². Assim, qୢ = 0,012 ∙ 200 ∙ 1,2 ∙ 1,5 86400 = 5,047 ∙ 10ିହ l s ∙ habൗ 9.3. Vazão concentrada nos nós Para determinar a vazão concentrada, de acordo com Tsutiya (2006), deve-se multiplicar à vazão específica de distribuição a área a que corresponda cada ponto, Figura 16, para melhor visualização ver Folha 4. Essa área, tal como a NBR 12218 (1994) menciona, é uma área de características própria de ocupação, concentração demográfica e categoria de consumidor, para o estudo em questão, essa categoria é a mesma, portanto, domiciliar. Figura 16 - Área de Influência Fonte: Próprios Autores. A cada ponto considerado delimitou-se uma área influência e a partir daí a vazão concentrada foi calculada, Tabela 8. 39 Tabela 8 - Vazão Concentrada Número do Nó Área (m²) Vazão (l/s) Vazão adotada (l/s) Número do Nó Área (m²) Vazão (l/s) Vazão adotada (l/s) 1 9843,3 0,49676 0,50 9 8292,54 0,4185 0,42 2 6219,4 0,31387 0,31 10 7770,16 0,39213 0,39 3 6219,4 0,31387 0,31 11 5354,23 0,27021 0,27 4 5106,68 0,25772 0,26 12 3281,1 0,16559 0,17 5 4736,61 0,23904 0,24 13 3281,1 0,16559 0,17 6 3281,1 0,16559 0,17 14 4146,27 0,20925 0,21 7 3281,1 0,16559 0,17 15 5354,23 0,27021 0,27 8 4146,27 0,20925 0,21 16 5354,23 0,27021 0,27 Fonte: Próprios Autores. 9.4. Vazão adotada nos trechos Com isso, estimou-se intuitivamente a vazão em cada trecho da rede sempre considerando o equilíbrio de cada nó em que quantidade de vazão que entra deve ser igual a quantidade de vazão que sai, Tabela 9. O sentido positivo de caminho da vazão a ser considerado será o sentido horário. Segundo o item 5.7.4 da NBR 12218, poderá ser admitido resíduo máximo de 0,1 l/s em toda a rede. Tabela 9 - Verificação do equilíbrio de cada nó Nó Equação de equilíbrio Verificação 1 ∆𝑄 = 1,01 − 0,5 − 0,51 = 0 OK 2 ∆𝑄 = 4,32 − 0,31 − 1,01 − 3 = 0 OK 3 ∆𝑄 = 3 − 0,31 − 1,19 − 1,5 = 0 OK 4 ∆𝑄 = 1,19 − 0,26 − 0,83 − 0,1 = 0 OK 5 ∆𝑄 = 0,1 + 0,51 − 0,24 − 0,37 = 0 OK 6 ∆𝑄 = 0,37 + 0,1 − 0,17 − 0,3 = 0 OK 7 ∆𝑄 = 0,2 + 0,83 − 0,17 − 0,1 − 0,76 = 0 OK 8 ∆𝑄 = 1,5 − 0,21 − 0,2 − 1,09 = 0 OK 9 ∆𝑄 = 1,09 − 0,42 − 0,07 − 0,6 = 0 OK 10 ∆𝑄 = 0,07 + 0,76 − 0,39 − 0,14 − 0,3 = 0 OK 11 ∆𝑄 = 0,3 + 0,14 − 0,27 − 0,17 = 0 OK 40 12 ∆𝑄 = 0,17 + 0,24 − 0,17 − 0,24 = 0 OK 13 ∆𝑄 = 0,11 + 0,3 − 0,17 − 0,24 = 0 OK 14 ∆𝑄 = 0,6 − 0,21 − 0,11 − 0,28 = 0 OK 15 ∆𝑄 = 0,28 − 0,27 − 0,01 = 0 OK 16 ∆𝑄 = 0,01 + 0,24 − 0,27 = 0 OK Fonte: Próprios Autores. 9.5. Diâmetro dos trechos A partir dos dados obtidos para a vazão em cada trecho da rede, consultou-se o Quadro 3 para que fosse determinado os diâmetros dos trechos levando em consideração que o diâmetro mínimo recomendado pela antiga norma PNB 594 (1977, apud Tsutiya, 2006) é de 75 mm para núcleos urbanos com população de projeto inferior a 5000 habitantes, que é o caso do presente projeto em que a população a ser atendida pela rede é de 648 habitantes. Quadro 3 - Velocidades e vazões máximas em função do diâmetro D (mm) Vmáx (m/s) Qmáx (l/s) 50 0,05 1,0 75 0,5 2,2 100 0,6 4,7 150 0,8 14,1 200 0,9 28,3 250 1,10 53,9 300 1,20 84,8 350 1,30 125,0 400 1,40 176,0 450 1,50 238,0 500 1,60 314,0 550 1,70 403,0 600 1,80 509,0 Fonte: (Tsutiya, 2006). Adotou-se diâmetros mínimos considerando as vazões disponíveis, tal como Tsutiya (2009) relata. No trecho 3 – 2 o diâmetro foi de 100mm, para os trechos 4 – 3, 2 – 1 e 8 – 3, diâmetro de 75 mm, para os demais um diâmetro de 50mm. A relação desses bem como seus respectivos comprimentos e a qual nó eles pertencem são apresentados no Apêndice F. 41 9.6. Procedimento iterativo Iniciou-se então o processo iterativo de Hardy-Cross com o auxílio do software Excel® para o dimensionamento da rede obedecendo os critérios da norma. Para demonstração do procedimento, será apresentado o cálculo da iteração para o Anel I. No Apêndice F estão contidos o detalhamento do dimensionamento dos demais anéis da rede. Definidos os diâmetros, calculou-se as perdas de cargas distribuídas com a utilização da fórmula de Hazen-Willians, conforme Equação 16. ∆h = 10,65 ∙ Qଵ,଼ହ ∙ L Cଵ,଼ହ ∙ Dସ,଼ (16) Em que ∆h: perda de carga (m); Q: vazão (m3/s); L: comprimento da tubulação (m); C: coeficiente de rugosidade; D: diâmetro da tubulação (m). ∆ℎଵିହ = 10,65 ∙ 0,51ଵ,଼ହ ∙ 63,12 140ଵ,଼ହ ∙ 0,05ସ,଼ = 0,126 𝑚 ∆hହିସ∗ = 10,65 ∙ (−0,10)ଵ,଼ହ ∙ 28,79 140ଵ,଼ହ ∙ 0,05ସ,଼ = −0,003 m ∆hସିଷ∗ = 10,65 ∙ (−1,19)ଵ,଼ହ ∙ 125,47 140ଵ,଼ହ ∙ 0,075ସ,଼ = −0,167 m ∆hଷିଶ = 10,65 ∙ (−3,00)ଵ,଼ହ ∙ 64,46 140ଵ,଼ହ ∙ 0,100ସ,଼ = −0,117 m ∆hଶିଵ = 10,65 ∙ 1,01ଵ,଼ହ ∙ 135,04 140ଵ,଼ହ ∙ 0,075ସ,଼ = 0,133 m 42 Tabela 10 - Perda de carga nos trechos. Trecho ∆h0 (m) 1-5 0,126 5-4* -0,003 4-3* -0,167 3-2 -0,117 2-1 0,133 Total -0,028 Fonte: Próprios Autores. Posteriormente, calculou-se a variação de vazão (∆Q) a ser considerada dada pela Equação 14, mencionada anteriormente. Em que o coeficiente n corresponde ao valor que eleva a vazão na equação de perda de carga. Como nesse projeto foi utilizado a equação de Hazen- Williams, o valor de n é igual a 1,85. Logo, ∆Q୬ୣ୪ ୍ = − 0,126 − 0,003 − 0,167 − 0,117 + 0,133 0,459 + 0,052 + 0,260 + 0,072 + 0,243 ∆Q୬ୣ୪ ୍ = 0,026 l/s A variação da vazão, Tabela 11, será o fator acrescido a cada trecho para se obter a possível nova vazão que irá compor a rede. Para trechos comuns a dois anéis é feita uma análise posterior em que a variação é a diferença entre a variação de vazão do anel onde está o trecho que se analisa, pela variação de vazão do anel do qual o trecho é comum. Tabela 11 - Variação de vazão. Trecho ∆Q0 (m) 1-5 0,026 5-4* -0,181 4-3* -0,227 3-2 -0,026 2-1 0,026 Fonte: Próprios Autores. Posteriormente,inicia-se o processo iterativo com a Iteração 1 recalculando-se a vazão de cada trecho (Q1) que será o resultado da soma entre a vazão considerada anteriormente (Q0) e a variação de vazão (∆Q) sempre consideração o sinal dos elementos. Q1ଵିହ = 0,51 + 0,026 = 0,536 l/s Q1ହିସ∗ = −0,10 − 0,181 = −0,281 l/s Q1ସିଷ∗ = −1,19 + 0,227 = −0,963 l/s 43 Q1ଷିଶ = −3 + 0,026 = −2,974 l/s Q1ଶିଵ = 1,01 + 0,026 = 1,036 l/s A partir das novas possíveis vazões calculadas, foi seguido o processo iterativo para todos os anéis. Segundo a NBR 12218 (ABNT, 1994), já referida, o critério de parada do procedimento é atingido quando se chega a ΣΔℎ ≤ ± 0,05 𝑚 e ΣΔ𝑄 ≤ ± 0,1 𝑙/𝑠. Para a rede do presente projeto o critério foi atingido na 3ª iteração, entretanto, por existirem vazões muito pequenas o processo iterativo foi aplicado na rede até que se chegasse a ΣΔℎ = 0,000 m e ΣΔ𝑄 = 0,000 l/s. Com isso, foram necessárias 14 iterações, demonstrados no Apêndice F, para o completo equilíbrio da rede. O detalhamento da rede para as vazões finais de equilíbrio encontra-se no Apêndice F e Folha 5. Após determinada as vazões finais, foi realizada a verificação do equilíbrio de cada nó, Tabela 12. Tabela 12 - Verificação do equilíbrio de cada nó Nó Equação de equilíbrio Verificação 1 ∆Q = 0,994 − 0,5 − 0,494 = 0 OK 2 ∆Q = 4,32 − 0,31 − 0,994 − 3,016 = 0 OK 3 ∆Q = 3,016 − 0,31 − 0,980 − 1,727 = 0 OK 4 ∆Q = 0,980 − 0,26 − 0,228 − 0,491 = 0 OK 5 ∆Q = 0,494 + 0,228 − 0,24 − 0,482 = 0 OK 6 ∆Q = 0,482 + 0,13 − 0,17 − 0,442 = 0 OK 7 ∆Q = 0,491 + 0,255 − 0,17 − 0,13 − 0,446 = 0 OK 8 ∆Q = 1,727 − 0,21 − 1,262 − 0,255 = 0 OK 9 ∆Q = 1,262 − 0,42 − 0,266 − 0,576 = 0 OK 10 ∆Q = 0,446 + 0,266 − 0,39 − 0,086 − 0,237 = 0 OK 11 ∆Q = 0,442 + 0,086 − 0,17 − 0,258 = 0 OK 12 ∆Q = 0,258 + 0,116 − 0,17 − 0,203 = 0 OK 44 13 ∆Q = 0,049 + 0,237 − 0,17 − 0,116 = 0 OK 14 ∆Q = 0,576 − 0,21 − 0,049 − 0,317 = 0 OK 15 ∆Q = 0,317 − 0,27 − 0,047 = 0 OK 16 ∆Q = 0,047 + 0,203 − 0,27 = 0 OK Fonte: Próprios Autores. 9.7. Pressão nos nós Como verificado anteriormente, a rede se encontra em equilíbrio, entretanto é necessário realizar a verificação das pressões para o bom funcionamento da rede. A pressão estática é dada pela diferença entre a cota do nível de água mínima do reservatório e a cota do nó, já a pressão dinâmica é obtida pela subtração da pressão estática pela perda de carga em cada nó. Inicialmente é necessário calcular as perdas de cargas distribuídas, Equação 15, entre o reservatório e o início da rede. ∆hୖିଶ = 10,65 ∙ 4,32ଵ,଼ହ ∙ 45,4 140ଵ,଼ହ ∙ 0,15 ସ,଼ = 0,0225 m Para o cálculo de perda de carga em cada nó deve-se percorrer a rede de diversas formas. No caso do presente projeto foi seguido: ∆hଶ = ∆hୖିଶ = 0,0225 m ∆hଵ = ∆hୖିଶ + ∆hଶିଵ = 0,1515 m ∆hଷ = ∆hୖିଶ − ∆hଷିଶ = 0,1405 m ∆hସ = ∆hଷ − ∆hସିଷ∗ = 0,2575 m ∆hହ = ∆hଵ + ∆hଵିହ = 0,2705 m ∆h = ∆hହ + ∆hହି = 0,3815 m ∆h = ∆hସ + ∆hସି = 0,3745 m ∆h଼ = ∆hଷ − ∆h଼ିଷ = 0,3055 m ∆hଽ = ∆h଼ − ∆hଽି଼ = 0,3975 m ∆hଵ = ∆hଽ − ∆hଵିଽ = 0,4715 m 45 ∆hଵଵ = ∆h + ∆hିଵଵ = 0,4765 m ∆hଵଶ = ∆hଵଵ + ∆hଵଵିଵଶ = 0,5135 m ∆hଵଷ = ∆hଵସ + ∆hଵସିଵ = 0,5015 m ∆hଵସ = ∆hଽ − ∆hଵସିଽ = 0,5535 m ∆hଵହ = ∆hଵସ − ∆hଵହିଵସ = 0,5895 m ∆hଵ = ∆hଵହ − ∆hଵିଵ = 0,5945 m Com os dados das perdas de cargas, fez-se a verificação das pressões estáticas e dinâmicas na rede, Tabela 13. De acordo com o item 5.4 da NBR 12218 a pressão estática máxima nas tubulações distribuidoras deve ser de 50 mca e a pressão dinâmica mínima de 10 mca. Tabela 13 - Verificação das pressões em cada nó. Nó h (m) Cota do terreno (m) Pressão estática mínima (m) Pressão dinâmica mínima (m) R-2 0,0225 891,998 - - 1 0,1515 891 14,6180 14,4665 2 0,0225 892 13,6180 13,5955 3 0,1405 890,401 15,2170 15,0765 4 0,2575 889,79 15,8280 15,5705 5 0,2705 889,391 16,2270 15,9565 6 0,3815 887,542 18,0760 17,6945 7 0,3745 888,019 17,5990 17,2245 8 0,3055 888,592 17,0260 16,7205 9 0,3975 886,508 19,1100 18,7125 10 0,4715 885,94 19,6780 19,2065 11 0,4765 885,381 20,2370 19,7605 12 0,5135 882,832 22,7860 22,2725 13 0,5015 883,534 22,0840 21,5825 14 0,5535 884,235 21,3830 20,8295 15 0,5895 882,481 23,1370 22,5475 16 0,5945 880,228 25,3900 24,7955 Fonte: Próprios Autores. A pressão estática mínima equivale a 13,61 mca e a pressão dinâmica máxima a 24,80 mca, logo a rede a tubulação é compatível com a rede. 46 9.8. Velocidades mínimas e máximas Os limites de velocidade impostos se baixas favorecem a durabilidade, minimizam os efeitos dos transitórios hidráulicos, se altas diminuem o diâmetro da tubulação, custo de aquisição causam aumento da perda de carga, ruídos nas tubulações, dentre outros. Em vista disso a NBR 12218/1994 estabelece como velocidade mínima 0,6 e 3,5 m/s (Tsutiya, 2006). Em virtude disto utilizou-se a equação da continuidade, Equação 17, para determinar as velocidades mínimas. V = 4Q πdଶ (17) Para velocidades máximas tem-se a Equação 18. V = 0,60 + 1,5D (18) A tabela 14 apresenta estas para os diversos trechos da rede. Tabela 14 - Velocidades máximas e mínimas Trecho Vmín. (m/s) Vmáx. (m/s) Trecho Vmín. (m/s) Vmáx. (m/s) 1-5 1,006 0,675 11-10* 0,175 0,675 5-4* 0,465 0,675 10-7* 0,909 0,675 4-3* 0,887 0,713 7-6* 0,265 0,675 3-2 1,536 0,750 6-11 0,900 0,675 2-1 0,900 0,713 10-13* 0,839 0,675 3-4* 0,887 0,713 13-14* 0,100 0,675 4-7* 1,001 0,675 14-9 1,173 0,675 7-8* 0,519 0,675 9-10* 0,542 0,675 8-3 1,563 0,713 11-12 0,525 0,675 5-6 0,982 0,675 12-13* 0,235 0,675 6-7* 0,265 0,675 13-10* 0,482 0,675 7-4* 1,001 0,675 10-11* 0,175 0,675 4-5* 0,465 0,675 12-16 0,414 0,675 7-10* 0,909 0,675 16-15 0,095 0,675 10-9* 0,542 0,675 15-14 0,645 0,675 9-8 1,143 0,713 14-13* 0,100 0,675 8-7* 0,519 0,675 13-12* 0,235 0,675 Fonte: Próprios Autores. 47 Observou-se que em alguns trechos a velocidade mínima ficou abaixo do valor estipulado por norma, contudo utilizou-se diâmetros mínimos. Em vista disso, para que a velocidade ficasse dentro do limite os diâmetros deveriam ser ainda menores, logo abaixo do diâmetro mínimo. Quanto a velocidade máxima todos os valores encontrados estão dentro dos limites estabelecidos. 9.9.Órgãos acessórios da rede de distribuição 9.9.1. Válvula de manobra Para garantia da boa qualidade e continuidade dos serviços sem interrupção é necessário a instalação de válvula de manobra no início da rede já que a área de abrangência da rede é maior que 40.000 m2. A válvula será instalada entre o reservatório e nó 2 da rede. 9.9.2. Válvula de descarga Será instalada uma válvula de descarga no ponto mais baixo da rede com diâmetro de 50 mm, entre os nós 15 e 16 no ponto 23. É necessária que sua posição esteja próxima a uma galeria de água pluvial já que não existem córregos ou rios próximos da rede para suportar o escoamento. 9.9.3. Ventosas Nesse projeto não será instalada ventosas pois, como há ligações prediais na rede, elas permitem entrada e saída de ar nas tubulações. 9.9.4. Hidrante Para comunidades com demanda total inferior a 50 l/s não há necessidade de instalação de hidrômetros (Tsutyia, 2006). 48 10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 12211 – Estudo de concepção de sistemas públicos de abastecimento de água. Rio de Janeiro, abr. 1992. ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 12217 - Projeto de reservatório de distribuição de água para abastecimento público. Rio de Janeiro, jul. 1994. ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas.NBR 12218 – Projeto de rede de distribuição de água para abastecimento público. Rio de Janeiro, jul.1994. FAZFORTE. Caixas d’água e reservatórios metálicos. Catálogo: fazforte. São Paulo, 20--. FERNANDEZ Y FERNANDEZ, Miguel; ARAÚJO, Roberto de; ITO, Acacio Eiji (Coautor) Manual de hidráulica 8. ed. - São Paulo: ABDR, 2009. 669 p. GOMES, H. P. Sistemas de Abastecimento de Água. 3ª. ed. João Pessoa: Editora Universitária - UFPB, 2009. 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