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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS CENTRO DE ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL SISTEMAS URBANOS DE ÁGUA HUGO ALEXANDRE SOARES GUEDES PROJETO DE SISTEMA URBANO DE REDE DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA MEMORIAL DESCRITIVO DE CÁLCULO Alessandro Mendes Luan Serpa Prisciane Demarco Pelotas, dezembro de 2019. 2 Alessandro Mendes Luan Serpa Prisciane Demarco PROJETO DE SISTEMA URBANO DE REDE DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA ETAPA 2 GRUPO B Memorial descritivo de cálculo referente ao projeto de um sistema de distribuição de água, este será usado como método avaliativo na disciplina de Sistemas Urbanos de Água, do Curso de Engenharia Civil, da Universidade Federal de Pelotas (UFPel). Neste memorial apresentaremos as etapas da segunda parte do projeto, nele será elaborado uma rede de distribuição de água em uma zona urbana; PROFESSOR: DR. HUGO ALEXANDRE GUEDES DISCIPLINA: SISTEMAS URBANOS DE ÁGUA Pelotas, dezembro de 2019. 3 Lista de Figuras Figura 1: Rede de distribuição malhada ................................................................................. 8 Figura 2: Rede de distribuição malhada adotada .................................................................. 11 Figura 3: Áreas de influência ............................................................................................... 12 Figura 4: Convenção adotada ............................................................................................... 13 Figura 5: Sentido arbitrado para a vazão .............................................................................. 13 Figura 6: Determinação dos Diâmetros ................................................................................ 14 Figura 7: Terreno com Cotas de nível .................................................................................. 18 file:///C:/Users/prisc/Google%20Drive/FACULDADE/Sistemas%20Urbanos%20de%20Águas/TRABALHO/PARTE%202/Projeto%20Águas%20-%20Parte%202%20-%20Rede%20de%20Distribuição%20(Salvo%20Automaticamente).docx%23_Toc26870423 file:///C:/Users/prisc/Google%20Drive/FACULDADE/Sistemas%20Urbanos%20de%20Águas/TRABALHO/PARTE%202/Projeto%20Águas%20-%20Parte%202%20-%20Rede%20de%20Distribuição%20(Salvo%20Automaticamente).docx%23_Toc26870424 4 Lista de Tabelas Tabela 1: Áreas de influência e vazões nos nós ................................................................... 12 Tabela 2: Resultados obtidos na última iteração .................................................................. 17 Tabela 3: Pressões obtidas .................................................................................................... 19 5 Sumário 1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 6 2. OBJETIVOS ....................................................................................................................... 6 3. REDES DE DISTRIBUIÇÃO ............................................................................................ 7 4. MATERIAL DA REDE ..................................................................................................... 8 4.1 MATERIAL ADOTADO PARA A REDE DE DISTRIBUIÇÃO .............................. 9 4.1.1 ESPECIFICAÇÃO DO MATERIAL..................................................................... 9 5. DIMENSIONAMENTO .................................................................................................... 9 5.1. VAZÃO DE DISTRIBUIÇÃO .................................................................................. 10 5.2 TRAÇADO DA REDE ............................................................................................... 10 5.3 ÁREAS DE INFLUÊNCIA ........................................................................................ 11 5.4 VAZÕES NOS TRECHOS ........................................................................................ 13 5.5 DIÂMETROS ........................................................................................................ 14 5.6 PERDA DE CARGA ............................................................................................. 14 5.7 CÁLCULO DO RESÍDUO DA VAZÃO .............................................................. 15 5.8 VAZÕES FINAIS .................................................................................................. 16 5.9 PRESSÕES ................................................................................................................. 17 5.9.1 PRESSÃO ESTÁTICA MÍNIMA ....................................................................... 18 5.9.2 PRESSÃO DINÂMICA MÍNIMA ...................................................................... 19 6. CONCLUSÃO .................................................................................................................. 20 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................. 21 6 1. INTRODUÇÃO Um sistema urbano de abastecimento de água se define por todo o conjunto que vai desde a captação até o abastecimento de uma população em quantidade e qualidade suficiente para a promoção e manutenção da vida. Buscando-se a ampliação do sistema de distribuição de água, devido à expansão natural dos municípios, torna-se fundamental a implantação de novos sistemas de coleta, tratamento e distribuição de água potável. Em vista disso, foi efetuado um estudo que buscava estimar a população de Pelotas para um período de 40 anos, onde se instalará um novo sistema de abastecimento e distribuição de água. As obras de redes de distribuição são enterradas e se espalham sob as vias públicas, sendo assim o acesso se torna um pouco mais complicado, essa é a parte do sistema mais próxima do consumidor, fazendo com que este tipo de projeto exija extrema atenção e importância por parte de nós engenheiros projetistas, sempre atentando para manter a qualidade e quantidade de distribuição da água e o índice de perdas da melhor maneira possível. É ainda o maior custo do sistema de abastecimento de água, compreendendo mais da metade do custo total de todas as obras de abastecimento. Tendo em mãos os dados estimados de população futura, buscou-se fazer a concepção de cada conceito necessário para o estabelecimento desse novo empreendimento público, respeitando as regulamentações existentes para esse tipo de projeto e buscando o melhor método para a execução de forma eficiente. Esse projeto foi dimensionado para o ano de 2060, visando atender a demanda da expansão do município de Pelotas. 2. OBJETIVOS Este trabalho tem como objetivo projetar a rede de distribuição de água de um novo loteamento na cidade de Pelotas, esse projeto irá atender o crescimento da cidade com horizonte de projeto de 40 anos, tendo início em 2020 e indo até 2060. Para a expansão do sistema de abastecimento de água deveremos seguir as seguintes diretrizes: “... a) construção de um sistema de captação de água em um manancial; b) elevatória (s); c) adutora de água bruta e limpa de um novo manancial e; d) a construção da 7 rede de distribuição para atender o crescimento da cidade com horizonte de projeto de 40 anos. ” Nesta etapa do projeto iremos apresentar o item “d”, a partir de então decidiremos com base nas informações fornecidas e cálculos a serem executados, o traçado da rede principal, o tipo de rede, as tubulações e conexões, destinadas a fornecer água potável de qualidade aos consumidores de forma continua com quantidade e pressões adequadas. Os itens anteriores já foram apresentados na primeira etapa do projeto. Todos critérios apresentados buscam respeitar todos os tipos de normativas brasileiras e buscando honrar as característicasda engenharia de proteger a todos os envolvidos, tanto no projeto em execução, instalação ou completo. 3. REDES DE DISTRIBUIÇÃO 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. É a parte do sistema mais incorporada a realidade urbana e abrange um custo estimado entre 50 a 75% do custo total de um sistema de abastecimento, sendo constituída de tubulações executadas ao longo dos arruamentos, garantindo o abastecimento contínuo de todos os pontos de consumo. Para este projeto será utilizado para a distribuição da rede o arruamento urbano já existente no loteamento. Os condutos são classificados de duas maneiras: a) Principal ou primário: também conhecido como tronco ou canalização mestra são tubulações de maior diâmetro que tem por finalidade fornecer abastecimento as canalizações secundárias; b) Secundário: são tubulações de menor diâmetro e tem função de abastecer diretamente os pontos de consumo do sistema; Conforme a disposição das canalizações principais e o sentido de escoamento nas tubulações secundárias, as redes podem ser classificadas de três maneiras, a rede ramificada, a rede malhada e a rede mista. Conforme orientação do professor da disciplina, no projeto em questão somente será apresentado a rede de distribuição principal e com isso foi decidido o traçado de uma rede malhada, para esta escolha, foi levado em consideração as 8 características do terreno. Ainda foi levado em consideração que neste tipo de rede uma eventual interrupção no conduto mestre não acarretará prejuízos como um todo, pois agua mudará a direção de escoamento a fim de suprir a necessidade de abastecimento da nova situação criada. Na rede malhada é possível fazer-se o abastecimento de qualquer ponto da rede por mais de um caminho, sendo mais comumente utilizado a rede malhada em anéis. Figura 1: Rede de distribuição malhada 4. MATERIAL DA REDE As redes de distribuição de àgua são compostas basicamente por tubulações e peças especiais, como curvas, tês, reduções, registros, válvulas, hidrantes. Para a seleção destes materiais é fundamental que analisemos alguns aspectos, como a qualidade da água que deverá ser mantida pelo material, a pressão que suportada (afim de evitar o rompimento ou vazamento da tubulação), o custo do material (buscando sempre o melhor custo x benefício), declividade do terreno, altura de transporte de água, dimensões de tubos e conexões disponíveis, propriedades do material. Dentre as pressões as quais a rede será submetida, destacam-se as pressões externas e internas, o material deve ser resistente de tal forma que não apresente trincas e vazamentos quando a elas submetidas. 9 4.1 MATERIAL ADOTADO PARA A REDE DE DISTRIBUIÇÃO Tubos de Ferro Fundido Dúctil, da marca Saint – Gobain de Classe K9; 4.1.1 ESPECIFICAÇÃO DO MATERIAL Tubos de Ferro Fundido Dúctil com Bolsa JE2GS - Travamentos Mecânicos JTI e JTE – TK9JGSTI: Tubo de ferro fundido dúctil centrifugado, para canalizações sob pressão, conforme norma ABNT NBR 7675:2005. Com grafita esferoidal maior ou igual a 95% ou grau de nodularização superior a 80%, classe K9 nos DNs 80 a 600. Revestimento externo com zinco metálico, com 200 g/m², conforme norma ABNT NBR 11827:1991 e pintura betuminosa. Revestimento interno com argamassa de cimento de alto forno, conforme norma ABNT NBR 8682:1993, bolsa modelo JE2GS, conforme norma ABNT NBR 13747:1996, e anel de borracha para junta elástica, conforme norma ABNT NBR 7676:1996 , com insertos metálicos de fixação para travar a bolsa sobre a ponta do tubo (item 5.2.4 da norma ABNT NBR 7675:2005 – anexo B). Com isto, não é necessária a confecção de blocos de ancoragem. Inspeção e recebimento conforme norma ABNT NBR 7675:2005 anexo D – controle e processo de fabricação. 5. DIMENSIONAMENTO Para darmos início ao dimensionamento é necessário que tenhamos já calculado a vazão da rede, além de definidos os trechos da rede, os comprimentos e os diâmetros. No dimensionamento desta rede malhada, optou-se pela aplicação do método de Hardy Cross, que é um método puramente iterativo, que visa o cálculo da variação da vazão 10 e a compensação desta diferença em cada processo iterativo, logo mais apresentaremos os cálculos e resultados obtidos após a aplicação do método. 5.1. VAZÃO DE DISTRIBUIÇÃO A vazão total adotada no dimensionamento é a vazão de distribuição Qc, esta é obtida através da seguinte equação. A população adotada para o ano de 2060 é de 72.373,36 habitantes foi calculada anteriormente na primeira etapa deste projeto, assim como o consumo per capita também foi definido de 200L/hab.dia. 𝑄𝑐 = ( 𝐾1∗𝐾2∗𝑃∗𝑞 86400 ) (1) Onde: K1 – Coeficiente do dia de maior consumo (1,2); K2 – Coeficiente da hora de maior consumo (1,5); Qc - Vazão do reservatório até a rede; q - Consumo per capita (L/hab.dia); 𝑃 - População; Substituindo os dados na equação (1) temos: 𝑄𝑐 = ( 1,2 ∗ 1,5 ∗ 72373,36 ∗ 200 86400 ) Para otimização dos cálculos foi feito um arredondamento no valor encontrado da vazão, adotando então: 𝑄𝑐 = 301,6 L/s 5.2 TRAÇADO DA REDE O traçado da malha principal foi feito levando-se em consideração um raio de 400 metros entre nós, para a escolha do raio mais adequado foram testados ainda, outros traçados 11 de rede, um para 200m e outro para 300m, todos visando o atendimento total e de qualidade de toda a área de consumo e a minoração da complexidade da rede a ser calculada, buscando um número adequado de anéis dentro da malha. Na figura abaixo apresentamos o traçado definitivo da rede principal, esta respeitando 400m de distância entre os nós. Figura 2: Rede de distribuição malhada adotada 5.3 ÁREAS DE INFLUÊNCIA O cálculo das áreas de influência de cada nó foi feito com o auxílio do software AutoCAD, estimando-se a área que cada nó deverá atender. Logo após foi utilizada a regra de 3 simples para relacionar cada área com a área total da planta de projeto obtendo-se assim a vazão de saída de cada nó. 12 Figura 3: Áreas de influência Com base nas informações apresentadas montamos a seguinte tabela. Áreas de influência Nó Área de influência m² Vazão do nó (L/S) 1 77041,13 27,20 2 141535,6749 49,90 3 35293,0413 12,50 4 58506,926 20,60 5 25408,3054 9,00 6 29554,3088 10,40 7 49094,0223 17,30 8 75462,6688 26,60 9 31068,87 11,00 10 28075,0401 9,90 11 37895,6454 13,40 12 52876,556 18,70 13 36634,532 12,90 14 69669,7441 24,60 15 28244,081 10,00 16 78347,5634 27,60 Soma 854708,1095 301,60 Tabela 1: Áreas de influência e vazões nos nós 13 5.4 VAZÕES NOS TRECHOS Após a definição do traçado da rede foi possível darmos início ao processo iterativo e para isso na primeira iteração, a vazão individual de cada trecho é apenas estimada, tendo- se como critérios para a definição das vazões as seguintes convenções: Figura 4: Convenção adotada Nesta convenção o somatório das vazões que entram e saem do nó deve sempre ser zero, de modo a garantir um equilibrio de vazões de entrada e saída. Figura 5: Sentido arbitrado para a vazão 14 Arbitra-se um sentido horário positivo para as vazões referentes a cada anel individualmente, onde o somatório das perdas de carga deve ser igual a zero. 5.5 DIÂMETROS Após o palpite inicial das vazões em cada trecho, foram determinados os diâmetros através da figura abaixo, em que nossas vazões devem atender os limites de vazões máximas: 5.6 PERDA DE CARGA A perda de carga é o consumo de energia necessário para superar as resistências do escoamento (viscosidadedo fluido e atrito interno com a tubulação). O ferro fundido dúctil Figura 6: Determinação dos Diâmetros 15 possui o coeficiente C=140, logo, para o desenvolvimento dos cálculos das perdas de carga optou-se pela utilização da fórmula de Hazen Williams, apresentada da seguinte forma: ℎ𝑓 = 10,646. 𝐿𝑣 𝐷4,87 . ( 𝑄 𝐶 ) 1,85 (2) Onde: ℎ𝑓: Perda de carga total (m); 𝐶: Coeficiente de Hazen-Williams 𝐿𝑣: Comprimento equivalente da tubulação (m); 𝑄: Vazão (m³/s); 𝐷 ∶ Diâmetro da tubulação (m). De posse dos dados anteriormente obtidos, fez-se a substituição destes na equação (2). Trecho (1-2) ℎ𝑓 = 10,646. ( 0,1646 140 ) 1,85 357,81 0,454,87 ℎ𝑓1 = 0,70734 m Os demais trechos foram calculados da mesma maneira, em seguida apresentaremos os resultados obtidos. 5.7 CÁLCULO DO RESÍDUO DA VAZÃO Ao final de cada processo iterativo, é calculado o resíduo total referente a cada anel, e na iteração seguinte este resíduo é somado à vazão anterior e assim sucessivamente, até resultar um resíduo de ΔQ menor ou igual a 0,1L/s, conforme recomendações da NBR 12218/1994. Pelo método de Hardy – Cross temos: ∆𝑄 = − ∑ ℎ𝑓 1,85 ∑ ℎ𝑓 𝑄 (3) 16 Onde: ℎ𝑓: Perda de carga de cada trecho (m); 𝑄: Vazão (m³/s); 𝑛 ∶ Coeficiente relacionado à formula da perda de carga utilizada, sendo: n =2 para a fórmula universal e n=1,85 para Hazen Willians. 5.8 VAZÕES FINAIS As vazões finais foram encontradas na sétima iteração, obtendo-se valores de ΔQ satisfatório às condições pré-estabelecidas. Os resultados desta iteração estão apresentados na tabela abaixo, a tabela completa com todo o processo iterativo pode ser visualizada no ANEXO A. Iteração 7 Dados de projeto Células Programadas Trecho L (m) D (mm) Q1 (L s-1) hf1 (m) hf1/Q1 R-1 144,91 550 301,5557 0,330437408 0,001095776 1 -> 2 357,81 450 165,6287827 0,715543394 0,004320163 2->6 86,91 350 114,6581387 0,299284766 0,002610236 6->7 137,77 250 22,49778878 0,120052914 0,00533621 4->7 287,21 350 -88,57302893 -0,613512119 0,006926625 1->4 165,62 350 -108,6859818 -0,516594331 0,004753091 Soma 0,004774625 0,023946324 Q7 anel 1 -0,107777645 6->3 200,73 250 30,56903712 0,308420256 0,010089302 3->12 314,69 200 18,21659862 0,550121407 0,030198909 6->11 220,48 250 -31,17804317 -0,351357262 0,011269381 12->15 197,49 50 -0,443462052 -0,305473007 0,688836859 11->15 77,47 150 -10,48393973 -0,197818395 0,018868708 Soma 0,003892998 0,75926316 Q7 anel 2 -0,002771533 17 11->13 177,01 200 28,23099394 0,695908805 0,024650524 13->10 78,16 200 13,05495668 0,073770075 0,005650733 10->14 256,92 200 3,449682508 0,020672853 0,005992683 14->9 143,33 300 -51,01585045 -0,23374282 0,004581769 7->9 313,98 350 -97,35876043 -0,798935321 0,008206096 7-> 6 137,77 250 -22,49778878 -0,120052914 0,00533621 6->11 220,48 250 31,17804317 0,351357262 0,011269381 Soma -0,011022059 0,065687396 Q7 anel 3 0,090700353 9->14 143,33 300 51,01585045 0,23374282 0,004581769 14->16 316,17 200 27,01515486 1,145791458 0,042412915 8->16 298,89 100 -3,0087185 -0,54606515 0,181494264 8->5 318,27 250 -29,6087185 -0,460979209 0,015569036 5->9 156,99 250 -38,6087185 -0,371534638 0,009623076 Soma 0,000955281 0,25368106 Q7 anel 4 -0,002035501 Tabela 2: Resultados obtidos na última iteração 5.9 PRESSÕES A NBR 12218/1994 estabelece limites para as pressões disponíveis na rede. Pressão Estática Máxima: 500kPa (50mca) Pressão Dinâmica Mínima: 100kPa (10mca) As cotas dos nós utilizadas para obtenção das pressões, foram estimadas por aproximação, visto que nos foi fornecido as cotas do terreno. 18 Figura 7: Terreno com Cotas de nível 5.9.1 PRESSÃO ESTÁTICA MÍNIMA A pressão estática está relacionada ao controle das perdas de água ao longo da distribuição e à resistência dos condutos, devido às diferenças de cota entre o reservatório de abastecimento e o terreno. A norma determina o valor máximo de 50mca. A pressão estática mínima é calculada pela seguinte expressão: 𝑃𝑚í𝑛 = 𝑁𝐴 − 𝑐𝑜𝑡𝑎 𝑑𝑜 𝑛ó (4) A menor pressão estática encontrada foi no nó 16, um dos nós mais distantes do reservatório. 𝑃16 = 25 − 1,65 𝑃16 = 23,35 𝑚. 𝑐. 𝑎 Logo, a pressão estática mínima está no dentro limite indicado pela norma. 19 5.9.2 PRESSÃO DINÂMICA MÍNIMA A pressão dinâmica mínima é calculada subtraindo-se o somatório das perdas de carga em cada nó de cada pressão estática correspondente. 𝑃16 = 23,35 − 3,638 𝑃16 = 19,71 𝑚. 𝑐. 𝑎 Na tabela, abaixo podemos notar que o projeto segue conforme a norma regente, nenhum ponto fica com a pressão abaixo de 10 mca. Todos os pontos serão atendidos com a pressão correta estabelecida. Nós hfn (m) Cota reservatório Cota nó pressão estática mínima pressão dinâmica mínima 1 0,330437408 25 1,2 23,8 23,46956259 2 1,045980802 25 1,65 23,35 22,3040192 3 1,653685825 25 2 23 21,34631418 4 0,84703174 25 1,35 23,65 22,80296826 5 2,631013817 25 1,2 23,8 21,16898618 6 1,345265569 25 1,53 23,47 22,12473443 7 1,460543858 25 1,4 23,6 22,13945614 8 3,091993026 25 1,4 23,6 20,50800697 9 2,259479179 25 1,3 23,7 21,44052082 10 2,466301711 25 1,4 23,6 21,13369829 11 1,696622831 25 1,5 23,5 21,80337717 12 2,203807231 25 1 24 21,79619277 13 2,392531636 25 1,25 23,75 21,35746836 14 2,493221998 25 1,3 23,7 21,206778 15 1,894441226 25 1,55 23,45 21,55555877 16 3,638058175 25 1,65 23,35 19,71194182 Tabela 3: Pressões obtidas 20 6. CONCLUSÃO Conforme a NBR 12218/1994, o presente trabalho demonstra que com os dados do projeto e as especificações dadas, todos os usuários da rede de abastecimento terão água em quantidade e qualidade necessária em suas residências. A tarefa de dimensionamento de uma rede de distribuição é complexa, porém muito interessante do ponto de vista prático. O método iterativo apesar de facilitar bastante os cálculos para a rede do tipo malhada ainda é muito trabalhoso. Todos os cálculos apresentados foram feitos com o auxílio dos softwares AutoCAD e Excel. Como pode ser visto pelo traçado, os nós mais distantes do reservatório serão os que terão a vazão recebida menor, mas isto não será problema no fornecimento de água, uma vez que este valor respeita a necessidade do ponto. Através dos cálculos apresentados das pressões obtidas, nota-se que conforme esperado o nó 16 é o ponto mais crítico da rede e mesmo assim estes valores continuam atendendo as exigências da norma. Com isso fica claro que para a construção desta rede o órgão responsável não encontrará nenhuma dificuldade em suprir as necessidades de vazão e pressão da população a ser atendida, fazendo assim que todos os pontos de consumo tenham em suas residências a água potável. 21 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS NBR 12218/1994 - Projeto de rede de distribuição de água para abastecimento público NBR 5688/1999 - Sistemas prediais de água pluvial, esgoto sanitário e ventilação - Tubos e conexões de PVC, tipo DN – Requisitos GUEDES, H., Rede de distribuição de água, Parte 1 e Parte 2. Apresentação da disciplina Sistemas Urbanos de Água e Esgoto. Pelotas. Universidade Federal de Pelotas. Disponível em <Http://migre.me/rQbHZ > Acesso em 20 de novembro de 2019. AZEVEDO NETTO, J. M., et alli. - "Manual de Hidráulica", Ed. Edgard Blucher Ltda., 8ª Edição, São Paulo, 1998. CEHOP - Manual de Tubo e Conexões de Ferro Fundido Dúctil, Instalações Hidráulicas e Obras Civis, <http://187.17.2.135/orse/esp/ES00102.pdf>Acesso em 17 de outubro de 2015. <https://www.sgpam.com.br/saneamento/produtos/tubos-e-conexoes-para-agua-bruta-e- tratada> Acesso em 20 de novembro de 2019.
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