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ENS 5159 ENS 5159 –– SisSistemastemas de de AbastecimentoAbastecimento de de ÁÁguagua UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina CTC - Centro Tecnológico ENS - Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental REDES DE DISTRIBUIREDES DE DISTRIBUIÇÇÃO DE ÃO DE ÁÁGUAGUA Prof. Ramon Lucas Prof. Ramon Lucas DalsassoDalsasso Entende-se por rede de distribuição o conjunto de peças especiais destinadas a conduzir a água até os pontos de tomada das instalações prediais, ou os pontos de consumo público, sempre de forma contínua e segura. REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA � Rede única – distribui água potável � Rede dupla – distribui água potável e água imprópria para beber REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA As redes são consideradas pelo sentido de escoamento da água nas tubulações secundárias � Ramificada � Malhada � Mista REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA É um sistema típico de cidades que apresentam desenvolvimento linear pronunciado. Rede Ramificada – Espinha de Peixe REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Rede Ramificada – Grelha Rede Malhada em Anéis REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Rede Malhada em Blocos REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Rede Mista Recomendações para o traçado das redes Alternativas para fornecimento de água para a rede Alternativas para fornecimento de água para a rede Alternativas para fornecimento de água para a rede Cálculo das Vazões onde: Qm - Vazão média anual (L/s); P – População a ser abastecida; qm – Consumo médio per-capita (L/hab.dia); h – número de horas diárias de funcionamento do sistema (h) Vazão média anual: Vazão de adução: Qa - vazão de adução (L/s); K1 – coeficiente de variação diária onde: h qP Q mm .3600 ⋅ = Para levara em conta as variações diárias de demanda, multiplica-se a vazão média pelo coeficiente de variação diária K1, usualmente compreendido ente 1,2 e 1,5. Usada para dimensionar partes do sistema localizadas a montante do reservatório de distribuição, como: captação, bombeamento,adução e tratamento. Qa = Qm x K1 Cálculo das Vazões Vazões unitárias: qL- vazão por metro linear de rede (L/s x m); L – comprimento total da rede (m); Qd - Vazão de distribuição, L/s. onde: Vazão de distribuição: Qd - vazão de distribuição (L/s); K1 – coeficiente de variação diária K2 – coeficiente de variação horária onde: Para levara em conta as variações horárias de demanda, multiplica-se a vazão média pelos coeficiente de variação diária K1, e de variação horária K2, comumente com valor 1,5. Usada para dimensionar a rede de distribuição, por isso é chamada de vazão de distribuição Qd = Qm x K1x K2 Vazão de distribuição expressa em termos de unidades de comprimento de rede ou de área de abrangência da rede de distribuição. Vazão por unidade de comprimentoVazão por unidade de comprimento qL = ------- Qd L Cálculo das Vazões qa- vazão por hectare (L/s x ha); A – Área total atendida pela rede (ha); Qd - Vazão de distribuição, L/s. onde: Vazão por unidade de Vazão por unidade de áárea rea qa = ------- Qd A � Planta baixa com curvas de nível de metro em metro � Locação dos lotes e áreas de expansão � Loteamentos aprovados ou previstos �Indicação dos consumidores especiais e singulares; � Localização de estradas e dos outros obstáculos naturais que necessitarão de obras especiais de travessia ou locação; � Escala indicada 1: 2000 cidades médias e grandes (1: 5000). Topografia para Traçado da Rede A pressão estática máxima permitida em tubulações distribuidoras será de 50m.c.a. (500 Kpa) e a pressão dinâmica mínima será de 10 m.c.a. (100 Kpa). Zonas de PressãoZonas de Pressão 5.4.1.1 Para atender aos limites de pressão, a rede deve ser subdividida em zonas de pressão. 5.4.1.2 Os valores da pressão estática superiores à máxima e da pressão dinâmica inferiores à mínima podem ser aceitos, desde que justificados técnica e economicamente. Esquema de abastecimento de água para atender diversas zonas de pressão Esquema de abastecimento de água para atender os limites de pressão na rede � 75 mm população de projeto ≤ 5000 habitantes. � 100mm população de projeto > 5000 habitantes. � 150mm abastecendo zonas comerciais ou zonas residenciais com densidade igual ou superior a 150 hab/km2. Diâmetro das Tubulações Principais � O diâmetro interno mínimo ≥ 50 mm. � População <5000 hab. e quota per capita <100L.hab/dia admitido o uso de tubulação ≤50 mm Diâmetro das Tubulações Secundárias Análise Hidráulica � Problema de verificação, que consiste em determinar as vazões nos trechos e as cotas piezométricas nos nós, para uma rede com diâmetros e comprimentos conhecidos. Este problema é determinado e tem uma solução. Análise Hidráulica � Problema de determinação dos diâmetros, vazões nos trechos e cotas piezométricas nos nós, com condicionamento nas velocidades e pressões. Este problema admite várias soluções, podendo, porém, procurar-se a solução de mínimo custo. Fonte: Martins (1976) Fonte: NBR 12218 Vmáx = 0,60 + 1,5 D e Vmáx = 2,0 m/s Fonte: NBR 12218 Fonte: Porto (1998) Vmáx = m/s; D = m Roteiro básico para elaboração de projetos de redes de distribuição de água Exemplo 6.1Exemplo 6.1 Dimensionar a rede de distribuição de água de uma pequena comunidade, cuja planta e topografia do terreno são mostrada a abaixo. Determinar a cota do nível d’água no reservatório para que a mínima carga de pressão dinâmica na rede seja 15m.c.a. Determine a máxima carga de pressão estática e a máxima carga de pressão dinâmica na rede? P=2900hab, qm=150L/hab/dia, k1=1,25, k2=1,5, f=0,026 e o trecho entre o reservatório e o ponto A, onde inicia a rede não terá distribuição em marcha. O sistema funcionará 24 h/d. R Adutora 1 400m 23 5 4 200m 200m 150m 200m 15 0m 10 0m 4-1 15 0m 115 100 113 105 100 95 85 12 0m 3-2 3-1 2-1 A sLQ /44,9 86400 15029005,125,1 = ⋅⋅⋅ = m1270Lrede =Apartir de A )./(0074,0 1270 44,9 msL L Q q rede d L === Planilha Excel Exemplo 6.1Exemplo 6.1 Redes Ramificadas Coluna 1 – N0 trecho – os trechos da rede ou os nós devem ser numerados, com um critério racional, partindo do trecho mais afastado do reservatório, que recebe o número 1; Coluna 2 – Extensão L do trecho, em metros, medidos na planta topográfica ou aerofotogramétrica; Redes Ramificadas Coluna 3 - Vazão de jusante Qj, se na extremidade de um ramal (ponta seca) Qj=0. Na extremidade de jusante de um trecho T qualquer, Qj=ΣQm dos trechos abastecidos por T; Coluna 4 – Vazão em marcha igual a q.L, na qual q é a vazão unitária de distribuição em marcha (L/s.m). O valor de q é constante para todos os trechos da rede e igual à relação entre a vazão de distribuição e o comprimento total da rede, ΣLi. Redes Ramificadas Coluna 5 – Vazão de montante do trecho Qm=Qj+qL; Coluna 6 – Vazão fictícia, 0Q se 3 Q Q ou 0Q se 2 QQ Q j m fj jm f ==≠ + = Coluna 7 – Diâmetro D, determinado pela vazão de montante do trecho; 1,410,5060 1,000,5050 QQmmááxxVVmmááxxD(mm)D(mm) Redes Ramificadas Coluna 8 – Perda de carga unitária J(m/100m), determinada para o diâmetro D e a vazão fictícia Qf, calculada pela equação de resistência adotada; Coluna 9 – Perda de carga total no trecho, DH(m)=J.L; Coluna 10 e 11 - Cotas topográficas do terreno, obtidas na planta e relativas aos nós de montante e jusante do trecho; 5 2 ..0826,0 D Q fJ = sendo f = 0,026 5 2 .002148,0 D Q J = Exemplo: para Q fict. = 0,86 L/s J = 0,00214.[ (0,86/1000)2 / (0,06 5)] = 0,0020 m/m ou 0,20 m/100m Redes Ramificadas Coluna 12 e 13 - Cotas piezométricas de montante e jusante, determinadas a partir da cota piezométrica fixada para um ponto qualquer da rede, ou estabelece para o nível d’água no reservatório um valor genérico X. A partir do nível d’água X e com os valores das perdas de carga nos trechos, todas as cotas piezométricas dos nós podem ser calculadas em funçãode X; R Adutora 1 400m 23 5 4 200m 200m 150m 200m 15 0m 10 0m 4-1 15 0m 115 100 113 105 100 95 85 12 0m 3-2 3-1 2-1 A R Adutora 1 400m 23 5 4 200m 200m 150m 200m 15 0m 10 0m 4-1 15 0m 115 100 113 105 100 95 85 12 0m 3-2 3-1 2-1 A Coluna 14 e 15 – Cargas de pressão disponível em cada nó, cota piezométrica menos cota do terreno, em função de X. Para o ponto mais desfavorável, iguala-se ao valor de 15m.c.a, que é a mínima carga de pressão dinâmica admitida no projeto. Redes Ramificadas R Adutora 1 400m 23 5 4 200m 200m 150m 200m 15 0m 10 0m 4-1 15 0m 115 100 113 105 100 95 85 12 0m 3-2 3-1 2-1 A R Adutora 1 400m 23 5 4 200m 200m 150m 200m 15 0m 10 0m 4-1 15 0m 115 100 113 105 100 95 85 12 0m 3-2 3-1 2-1 A R Adutora 1 400m 23 5 4 200m 200m 150m 200m 15 0m 10 0m 4-1 15 0m 115 100 113 105 100 95 85 12 0m 3-2 3-1 2-1 A R Adutora 1 400m 23 5 4 200m 200m 150m 200m 15 0m 10 0m 4-1 15 0m 115 100 113 105 100 95 85 12 0m 3-2 3-1 2-1 A VerificaVerificaçção da pressão dinâmica mão da pressão dinâmica míínimanima Ponto mais desfavorável: a jusante do trecho 4 (cota 113): Xmín – 116,55 = 15 m ou Xmín = 131,55 m Xmín = cota do nível mínimo de água no reservatório VerificaVerificaçção da pressão estão da pressão estáática mtica mááximaxima Carga de pressão estática máxima (em relação ao ponto mais baixo do terreno. p/ Xmáx. Pemáx = (131,55+ 3) – 85 = 49,55 m.c.a 3 m = altura do reservatório (nesse caso !) VerificaVerificaçção da pressão dinâmica mão da pressão dinâmica mááximaxima Pdmáx = Xmáx – 89,72 = 44,83 m.c.a • Método do seccionamento • Método de cálculos Iterativos DIMENSIONAMENTO DAS REDES MALHADAS MÉTODO DO SECCIONAMENTO FICTÍCIO O seccionamento fictício transforma, para efeitos de cálculo, a rede malhada em ramificada. DIMENSIONAMENTO DAS REDES MALHADAS • Método de cálculos Iterativos Método da correção de vazões ( Hardy-Cross) Nós Fundamentos hidráulicos do método 1) Em um nó qualquer da rede, a soma algébrica das vazões é nula, considerando (+) as vazões afluentes e (-) as efluentes. Considerando o nó A da Figura abaixo: AQ1 Q2 Q3 Q4 Q1 – Q2 –Q3 + Q4 = 0 Dimensionamento de redes malhadas: Método da correção de vazões ( Hardy-Cross) 2) Em um circuito fechado (ou anel) qualquer da rede, a soma algébrica das perdas de carga é nula, considerando-se (+) as perdas de carga coincidentes, e (-) as contrárias a um prefixado sentido de caminhamento no anel. Q3 Q7 Q6 Q5 Dimensionamento de redes malhadas: Método da correção de vazões ( Hardy-Cross) 3) Para uma dada rede com diâmetros conhecidos, as equações: ΣQ = 0 em cada nó Σh = 0 em cada circuito Exprimem as condições necessárias e suficientes para que a distribuição de vazões (e, assim as perdas de carga) prevista no cálculo, ocorram quando a rede for posta em funcionamento. 4) Para efeito de projeto, pode-se admitir, com precisão satisfatória, que a distribuição de água em marcha, seja substituída por tomadas localizadas em pontos fictícios isolados, adequadamente situados na canalização RR Rede real – com distribuição em marcha: vazão variável ao longo de cada trecho Rede assimilada à real – com distribuição localizada em pontos isolados: vazão constante em cada trecho �Vazão ≤ (0,1 l/s) �Perda de carga ≤ (0,05 m.c.a) Limites máximos para os resíduos nos métodos interativos: Dimensionamento de redes malhadas: Método da correção de vazões ( Hardy-Cross) 5) A perda de carga total, ao longo de um trecho de comprimento L e diâmetro D, por uma vazão uniforme Q, pode ser expressa pela seguinte fórmula geral: h = K. Qn Adotando a fórmula de Hazen Williams: ( ) 85,1 87,485,1 .. .2785,0 1 . Q D L C LJh == K n= 1,85 O método: a) Em cada anel da rede supõe-se conhecido o fator K de cada trecho. Sendo a fórmula de H.W supõe- se conhecidos: C, L e D de cada trecho; b) Supõe-se conhecidos os pontospontos de “carregamento” da rede: pontos de entrada (vindos de adutoras ou reservatórios) e pontos de saída (isolados e distribuidores; c) Supõe-se conhecidos os valoresvalores de “carregamento”. Vazões fornecidas por reservatórios ou adutoras. Vazões de saídas da rede nos pontos isolados: OBSERVAÇÃO- Calcular a vazão de distribuição em marcha, preferivelmente por unidade de área abastecida ( L/s.ha); d) Partindo-se dos pontos de alimentação da rede, atribui-se uma vazão de escoamento a cada trecho, respeitando em cada nó a condição: ΣΣΣΣQ = 0; e) Fixa-se, para efeito de cálculo, um sentido de caminhamento nos anéis. Calcula-se a perda de carga total, hf, em cada trecho de anel. Faz-se em cada anel o ΣΣΣΣh; Dimensionamento de redes malhadas: Método da correção de vazões ( Hardy-Cross) e) Se, em todos os anéis for obtido: ΣΣΣΣh = 0, então a rede, posta em funcionamento, terá vazões nos seus diversos trechos, coincidente com o inicialmente imaginado; f) Geralmente a primeira tentativa de distribuição de vazões conduz a ΣΣΣΣh ≠ 0; g) Faz-se a correção de vazão em cada trecho usando a expressão: h) Repete-se o cálculo das perdas de carga até obter ΣΣΣΣh = valor aceitável R EXEMPLO: Seja a rede de distribuição ao lado, com área total At = 24,02 ha. K1 = 1,25; K2 = 1,5 ; qm = 200 L/hab.dia ; P = 20000 hab. Considere C =100, que corresponde a um conduto de Ferro Fundido com 25 a 30 anos de uso. Área de influência dos pontos de sangramento: A = 8,20 ha; B = 5,20 Ha; C= 4,80 ha; D =5,82 ha. (At = 24,02 ha ). Resolva aplicando o método de HC. AB DC 252m 2 9 3 m 2 9 3 m 252m Condutos secundários Anel Q h n h Q Σ Σ− =∆ Dimensionamento de redes malhadas: Método da correção de vazões ( Hardy-Cross) R AB DC 252m 2 9 3 m 2 9 3 m 252m sL PqKK Q md /80,86 86400 20000.200.5.1.25,1 86400 ..2.1 === Vazão de distribuição (Qd) Vazão unitária (qa) qa = Qd / At qa = 86,80 / 24,02 qa = 3,613 L/s.ha Vazões concentradas em cada ponto: A ⇒8,20 ha x 3,613 L/s.ha = 29,63 L/s B ⇒5,20 ha x 3,613 L/s.ha = 18,79 L/s C ⇒4,80 ha x 3,613 L/s.ha = 17,34 L/s D ⇒5,82 ha x 3,613 L/s.ha = 21,03 L/s 29,63 L/s 18,79 L/s 17,34 L/s 21,03 L/s OBS: A distância entre dois nós consecutivos de uma anel varia de 100 a 300 m, podendo ser maior em casos justificados. Dimensionamento de redes malhadas: Método da correção de vazões ( Hardy-Cross) R AB DC 252m 2 9 3 m 2 9 3 m 252m 29,63 L/s 18,79 L/s 17,34 L/s 21,03 L/s 86,80 L/s28,585 L/s 2 8 ,5 8 5 L / s 7,555 L/s 9 ,7 9 5 L / s Arbitramos, inicialmente vazões iguais (50% para cada lado) para os trechos AB e AD. Deste modo, cada trecho terá: (86,80 – 29,63)/2 = 28,585 L/s. Com as vazões, determinamos os diâmetros pela tabela de limite de vazões (ou de velocidade) para cada diâmetro comercial. De posse das vazões dos trechos AB e AD, facilmente calcula-se as vazões dos trechos BC e CD (apenas subtraindo as vazões dos pontos de sangramento B e D. A primeira distribuição fica assim definida e está esquematizada no desenho ao lado. Ver a TABELA ( ) 85,1 87,485,1 .. .2785,0 1 . Q D L C LJh == K Dimensionamento de redes malhadas: Método da correção de vazões ( Hardy-Cross) ( ) 85,1 87,485,1 .. .2785,0 1 . Q D L C LJh == K Trecho AB → h = 457,621.Q 1,85 Trecho BC → h = 6402,9.Q 1,85 Trecho CD → h = 5506,93.Q 1,85 Trecho DA → h = 532,07.Q 1,85 R AB DC 252m 2 9 3 m 2 9 3 m 252m 29,63 L/s 18,79 L/s 17,34 L/s 21,03 L/s 86,80 L/s28,585 L/s 2 8 ,5 8 5 L / s 7,555 L/s 9 ,7 9 5 L / s R AB DC 252m 2 9 3 m 2 9 3 m 252m 29,63 L/s 18,79 L/s 17,34 L/s 21,03 L/s 86,80 L/s28,585 L/s 2 8 ,5 8 5 L / s 7,555 L/s 9 ,7 9 5 L / s Q h n h Q Σ Σ− =∆ Dimensionamento de redes malhadas: Método da correção de vazões ( Hardy-Cross) R A B E D C F I II Q2 caminhamento adotado Supondo: No trecho BC: Q2 inicial = 20 L/s 1ª compensação do anel I ∆QI = -1,52 L/s 1ª compensação do anel II ∆QII = 1,30 L/s O trecho BC é comum aos dois anéis. Nesse caso a compensação deveser feita por superposição das correções parciais Trecho BC do Anel I QBC = + 20 + (-1,52) – 1,30 = 17,18 L/s Trecho CB do Anel II QCB= - 20 + 1,30 – (- 1,52) = -17,18 L/s Dimensionamento de redes malhadas: Método da correção de vazões ( Hardy-Cross) seus conhecimentos página 186 Informações Complementares Nó Cota(m) R 435 1 400 2 405 3 410 4 410 5 430 6 415 7 410 Diâmetros 4” 100mm 10” 250mm 12” 300mm 16” 400mm ( ) 85,1 87,485,1 .. .2785,0 1 Q D L C h = K Q h n h Q Σ Σ− =∆ Dimensionamento de redes malhadas: Método da correção de vazões ( Hardy-Cross) ANEL I ANEL II Iteração1 -0,47 0,02 Trecho L(m) D(mm) Qo(L/s) K h(m) h/Q ∆∆∆∆Q Trecho L(m) D(mm) Qo(L/s) K h(m) h/Q ∆∆∆∆Q 1>2 630 300 63 252,6368 1,518017 0,024 2>3 1050 250 35 1023,194 2,072449 0,059 2>6 550 100 13 46462,14 15,06241 1,159 3>4 1310 100 5 110664,4 6,124947 1,225 5>6 450 100 -12 38014,48 -10,6276 0,886 5>4 830 100 -5 70115,59 -3,88069 0,776 5>7 1115 300 -47 447,127 -1,56247 0,033 5>6 450 100 12 38014,48 10,62758 0,886 7>1 940 300 -67 376,9501 -2,53818 0,038 2>6 550 100 -13 46462,14 -15,0624 1,159 Σ 1,852175 2,14 Σ -0,118115 4,105 Iteração2 0,02 -0,24 Trecho L(m) D(mm) Qo(L/s) K h(m) h/Q ∆∆∆∆Q Trecho L(m) D(mm) Qo(L/s) K h(m) h/Q ∆∆∆∆Q 1>2 630 300 62,53 252,6368 1,497132 0,024 2>3 1050 250 35,02 1023,194 2,07464 0,059 2>6 550 100 12,51 46462,14 14,02895 1,121 3>4 1310 100 5,02 110664,4 6,170348 1,229 5>6 450 100 -12,49 38014,48 -11,4443 0,916 5>4 830 100 -4,98 70115,59 -3,85202 0,773 5>7 1115 300 -47,47 447,127 -1,5915 0,034 5>6 450 100 12,49 38014,48 11,44431 0,916 7>1 940 300 -67,47 376,9501 -2,57122 0,038 2>6 550 100 -12,51 46462,14 -14,029 1,121 Σ -0,080936 2,133 Σ 1,808277 4,098 Iteração12 -0,01 0 Trecho L(m) D(mm) Qo(L/s) K h(m) h/Q ∆∆∆∆Q Trecho L(m) D(mm) Qo(L/s) K h(m) h/Q ∆∆∆∆Q 1>2 630 300 62,17 252,6368 1,481225 0,024 2>3 1050 250 34,59 1023,194 2,02776 0,059 2>6 550 100 12,56 46462,14 14,13286 1,125 3>4 1310 100 4,59 110664,4 5,228309 1,139 5>6 450 100 -12,44 38014,48 -11,3597 0,913 5>4 830 100 -5,41 70115,59 -4,48983 0,83 5>7 1115 300 -47,83 447,127 -1,6139 0,034 5>6 450 100 12,44 38014,48 11,3597 0,913 7>1 940 300 -67,83 376,9501 -2,59665 0,038 2>6 550 100 -12,56 46462,14 -14,1329 1,125 Σ 0,043835 2,134 Σ -0,006964 4,066 -12 + (-0,47) – 0,02 = -12,49 13 + (-0,47) – 0,02 = 12,51 12,49 + 12,51 = 25 12 + 13 = 25 verificação Dimensionamento de redes malhadas: Método da correção de vazões ( Hardy-Cross) Iteração12 -0,01 0 Trecho L(m) D(mm) Qo(L/s) K h(m) h/Q ∆∆∆∆Q Trecho L(m) D(mm) Qo(L/s) K h(m) h/Q ∆∆∆∆Q 1>2 630 300 62,17 252,6368 1,481225 0,024 2>3 1050 250 34,59 1023,194 2,02776 0,059 2>6 550 100 12,56 46462,14 14,13286 1,125 3>4 1310 100 4,59 110664,4 5,228309 1,139 5>6 450 100 -12,44 38014,48 -11,3597 0,913 5>4 830 100 -5,41 70115,59 -4,48983 0,83 5>7 1115 300 -47,83 447,127 -1,6139 0,034 5>6 450 100 12,44 38014,48 11,3597 0,913 7>1 940 300 -67,83 376,9501 -2,59665 0,038 2>6 550 100 -12,56 46462,14 -14,1329 1,125 Σ 0,043835 2,134 Σ -0,006964 4,066 ( ) 85,1 87,485,1 .. .2785,0 1 Q D L C h = ( ) mhR 18,113,0. 4,0 520 . 140.2785,0 1 85,1 87,485,11 ≅= Cota R = Cota 5 + Pressão 5 + hR-1 + h1-7 + h7-5 Cota R = 430 + 15 + 1,18 + 2,59665 + 1,6139 Cota R ≅ 450,4 m FIM