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Renato Carlos Zambon
Ronan Cleber Contrera
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental
PHD2412 - Saneamento II
ADUTORAS EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA
Curso de água
Rede da zona baixa
Rede da zona alta
Reservatório
Reservatórioelevado
Captação
Estaçãoelevatória
Estaçãoelevatória
ETA
Adutora
Adutora deágua bruta
por recalque
Adutora para o reservatório da zona alta por recalque
Adutora para o reservatório dazona baixa por gravidade
2
CLASSIFICAÇÃO DAS ADUTORAS
Quanto à natureza da água transportada
Adutoras de água bruta
Adutoras de água tratada
Quanto à energia para a movimentação da água
Adutora por gravidade (conduto livre ou forçado)
Adutora por recalque
Adutoras mistas
3
ADUTORAS POR GRAVIDADEConduto Forçado
4
ADUTORAS POR GRAVIDADEConduto Livre
5
ADUTORAS POR GRAVIDADETrechos em Conduto Livre e Forçado
6
ADUTORAS POR RECALQUERecalque Simples
7
ADUTORAS POR RECALQUERecalque Duplo
8
ADUTORAS MISTASTrechos por Recalque e por Gravidade
9
VAZÃO DE ADUÇÃO
10
Curso de água
Qa
RedeCaptação
Estaçãoelevatória
Estação deTratamento
Qa Qb Qc
1a e ETA
K PqQ Q C
86400
1b e
K PqQ Q
86400 1 2
c e
K K PqQ Q
86400
PERÍODO DE FUNCIONAMENTODA ADUÇÃO
As vazões indicadas correspondem a adução 24 h/dia;
Deverão ser maiores se o período for reduzido, por exemplo entre 16-20 h/dia em uma linha por recalque;
Pode haver economia com operação fora de horário de ponta do sistema elétrico (início da noite).
11
HIDRÁULICA PARA ADUTORAS
Equação da energia entre duas seções transversais de um escoamento (Bernoulli):
z: carga de posição, cota (m)
p/g: carga de pressão (m)
V²/2g: carga cinética (m)
DH: perda de carga (m)
12
2 2
1 1 2 21 1 2 2
2 2
p V p VH z H H z H
g gg g D D
Linha piezométrica
Linha de carga
HIDRÁULICA PARA ADUTORAS
13
Escoamento em conduto livre
Escoamento em conduto forçado
HIDRÁULICA PARA ADUTORAS
Equação da continuidade:
Q: vazão (m³/s)
V: velocidade média na seção (m/s)
S: área da seção de escoamento (m²)
Obs: em canais pode ser necessário acrescentar as perdas por evaporação...
14
1 1 2 2 constanteQ V S V S
ESCOAMENTO EM CONDUTOS LIVRESEquação de Manning
Q: vazão (m³/s)
n: coeficiente de Manning
S: seção molhada (m²)
RH: raio hidráulico (m)
I: declividade da linha de energia (m/m)
15
2/31HQ S R I
n
S e RH dependem dageometria da seçãoe da profundidade
resultante
RH = Seção molhada
Perímetro molhado
16
“Canal da Integração” / “Eixão das Águas” (Ceará, 255 km, 22 m³/s)
17
California Aqueduct (State Water Project)
Dos Amigos Pumping Plant (36 m x 437 m³/s, 715 km)
ESCOAMENTO EM CONDUTOS FORÇADOSFórmula de Hazen-Williams
Q: vazão (m³/s)
C: coeficiente de Hazen-Williams
D: diâmetro interno da tubulação (m)
j: perda de carga unitária (m/m)
18
2,63 0,540,2785Q C D j
Coeficiente de Hazen-Williams
19
ESCOAMENTO EM CONDUTOS FORÇADOSFórmula Universal
DH: perda de carga distribuída (m)
f: fator de atrito
L: comprimento da tubulação (m)
V: velocidade média (m/s)
D: diâmetro da tubulação (m)
k: rugosidade (m)
g: aceleração da gravidade (9,81 m/s²)
n: viscosidade cinemática (10-6 m²/s)
R: número de Reynolds
Q: vazão (m³/s)
20
2
2
4
2
QV
D
V DR
L VH f
D g
n
D
ESCOAMENTO EM CONDUTOS FORÇADOSFórmula Universal
Escoamento laminar (R<2500):
Escoamento turbulento (R>4000, Colebrook-White):
Crítico (transição): pode ser adotada interpolação linear
21
64f
R
1 2,512 log
3,71f
k
D R f
ESCOAMENTO EM CONDUTOS FORÇADOSFórmula Universal
Cálculo iterativo de f no escoamento turbulento, adota-se por exemplo f0=0,020, com poucas iterações o resultado converge:
Ou pode ser adotada a equação alternativa (Souza, 1986):
22
1
1 2,512 log
3,71iif
k
D fR
0,9
1 5,622 log
3,71
k
Df R
23
2
0,9
0,9
4 ;
64
1 5,622 log
3,71:
64 1 5,621 ; 2 log
2500 3,71 400
escoam
2500
4000
2500 400
ento laminar:
escoamento turbulento:
transição (interpolação linear):
0
02
Q V DV R
D
fR
k
D Rff
ff
R
R
k
R
D
n
2
25001 2 1
4000 2500
2
Rf f f f
L VH f
D g
D
Q,D,k,g,n V,R,f,DH
Perda de Carga (Fórmula Universal)
ESCOAMENTO EM CONDUTOS FORÇADOSPerdas Localizadas
24
2
2C
VH K
gD
TRAÇADO DA ADUTORA
25
O traçado da adutora deve levar em consideração:
Presença de vias e terrenos públicos, áreas de proteção ambiental;
Planta e Perfil (topografia);
Tipo de solo: rochas, várzeas, etc.;
Interferências e travessias (de rodovias, ferrovias, rios, etc.);
Material da tubulação, ventosas, descargas, blocos de ancoragem, proteção contra corrosão;
São favoráveis traçados que apresentem trechos ascendentes longos com pequena declividade (>0,2%), seguido de trechos descendentes curtos, com maior declividade (>0,3%);
Quando a inclinação do conduto for superior a 25%, há necessidade de se utilizar blocos de ancoragem para estabilidade do conduto (varia com o material e tipo de junta...);
A linha piezométrica da adutora em regime permanente deve situar-se, em quaisquer condições de operação, acima da geratriz superior do conduto.
TRAÇADO DA ADUTORA
26
PLANTA E PERFIL DE UMA ADUTORA
27
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS por Gravidade em Conduto Forçado
28
descarga
ventosa
R1
R2
L.P. dinâmica
L.P. estática (Q=0)z1
z2DH
Obs1: as L.P. acima são efetivas, descontada patm/g
Obs2: quando a velocidade é baixa, a L.P. se confunde com a L.C.
Q,L,DH D
Fórmula universal
ou Hazen-Williams
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS por Gravidade em Conduto Livre
29
R1
R2
L.P. acompanha
o nível d’águaz1
z2
DH/L=I
Q,L,DH
seção do canal pela
equação de Manning
Considerar remanso
se houver variações
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS
30
Velocidades máximas
em condutos forçados:
3,0 a 6,0 m/s
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS por Recalque
31
R
L.P. estática (Q=0)
L.P. dinâmica
z2DH
Q,L,DH=?,D=?EE
Hg
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS por Recalque
O diâmetro é hidraulicamente indeterminado...
Depende de aspectos econômico-financeiros:
32
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS por Recalque
Pré-dimensionamento pela “fórmula de Bresse”:
E o comprimento?
Desnível?
X
Material?
33
; K = 0,9 a 1,2D K Q
R
DH
EE
Hg
R
DH
EE
Hg
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS por Recalque
Recomendações para o estudo do diâmetro econômico da adutora:
Pré-dimensionamento do diâmetro e avaliação de alternativasconsiderando a vazão de projeto, o comprimento da adutora, o desnível geométrico, o material da tubulação
Análise econômica através do critério do valor presente
Consideração de todos os custos não comuns: tubulação, montagem, escavação e reaterro, equipamentos, energia elétrica
As obras comuns não necessitam ser consideradas
34
MATERIAIS DAS ADUTORAS
Aspectos que devem ser considerados na escolha:
Não ser prejudicial a qualidade da água
Alteração da rugosidade com o tempo (incrustação, etc.)
Estanqueidade
Resistência química e mecânica
Resistência a pressão da água (estática, dinâmica, transitórios)
Economia (não só custo da tubulação, mas instalação, aspectos construtivos, necessidade de proteção a corrosão, manutenção, etc.)
35
PRINCIPAIS MATERIAIS DAS TUBULAÇÕES
Materiais metálicos:
Aço
Ferro Fundido Dúctil
Materiais não metálicos:
Polietileno de Alta Densidade e Polipropileno (PE e PP)
PVC
Poliéster Reforçado com Fibra de Vidro (PRFV)
36
TUBULAÇÃO DE AÇO
37
Vantagens
• Alta resistência às pressões
internas e externas
• Estanqueidade (com junta
soldada)
• Vários diâmetros e tipos de
juntas
• Competitivo principalmente
em maiores diâmetros e
pressões
Desvantagens
• Pouca resistência à
corrosão externa
• Precauções para transporte
e armazenamento
• Cuidados com a dilatação
térmica
• Dimensionamento das
paredes dos tubos quanto ao
colapso
TUBULAÇÃO DE AÇO
Revestimentos externos
– FBE (Fusion Bonded Epoxy)
– Polietileno tripla camada
– Poliuretano tar
– Primer epoxy com alumínio fenólico
Revestimento interno
– Coaltar epoxy
38
– Flangeada
TUBULAÇÃO DE AÇO
• Tipos de juntas
– Soldada
– Elástica
(1) Junta soldada nas extremidades
(2) Junta soldada nas extremidades com anel
(3) Junta com solda dupla nas extremidades
(4) Junta com solda tipo copo
(5) Junta com solda nas duas extremidades
Junta soldada Junta elástica
39
TUBULAÇÃO DE FERRO FUNDIDO DÚCTIL
40
• Diâmetros: 16 opções de 50 a
1200 mm
• Comprimento: 6 a 8 m
• Classes: K-9, K-7 e 1 Mpa
• Revestimento interno com
argamassa de cimento
• Revestimento externo com
zinco e pintura betuminosa
• Tipos de juntas:
Elástica
Elástica travada
Mecânica
Flanges
TUBULAÇÃO DE FERRO FUNDIDO DÚCTIL
Detalhes das juntas de tubulações de ferro fundido dúctil
Junta elásticaJunta elástica travada
Junta mecânica Junta de flange
41
TUBULAÇÃO DE POLIETILENO
42
• Diâmetros: 30 opções de 16 a 1200 mm
• Comprimento: limitado pelo transporte,
até centenas de metros sem juntas
(emissários submarinos)
• Classes: 8 opções de 32 a 250 mca
• Sem revestimento interno ou externo
• Leve e flexível
• Estanqueidade
• Resistência química
• Resistência a abrasão
• Menor rugosidade
• Baixa celeridade (transitórios)
• Principais juntas em adutoras:
Solda termoplástica (topo)
Flanges
OPERAÇÃO DAS ADUTORAS
Condições operacionais:
Condição normal: condição prevista no projeto como manobra de válvulas, enchimento e esvaziamento da adutora, partida e parada do bombeamento, etc.
Condição emergencial: falha operacional de dispositivos
Condição catastrófica: acidente operacional com riscos a vida e/ou danos excepcionais como o a ruptura em um ponto baixo
43
ENCHIMENTO DE ADUTORAS
Condição para enchimento: expulsão plena de ar, com a gradativa e lenta admissão de água
Velocidade média para enchimento: 0,3 m/s
Válvulas para expulsão de ar: ventosas
44
ENTRADA DE AR EM ADUTORAS...
45
Nível muito
baixo
Descarga
superior com
introdução de ar
Formação
de vórtice
BLOQUEIO DE ADUTORAS
46
Consiste na paralisação do escoamento, ocasionada pela
existência de ar confinado nos pontos altos da adutora
Bloqueio da adutora por gravidade
Bloqueio da adutora por recalque
DESCARGA EM ADUTORAS
47
Descarga da adutora em galerias, valas e córregos
DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO DAS ADUTORAS
Blocos de ancoragens
Proteção contra corrosão
Proteção contra os transitórios hidráulicos
48
BLOCOS DE ANCORAGEM
Dimensionamento dos blocos - Dados necessários
• Resultante das forças (direção e intensidade)
• Tensão máxima admissível na parede lateral da
vala
• Coesão do solo
• Ângulo de atrito interno do solo
• Tensão máxima admissível pelo solo na vertical
• Peso específico do solo
• Especificações do concreto a ser utilizado
• Atrito concreto-solo
Critérios de cálculo
• Por atrito entre o bloco e o solo (peso do bloco);
• Por reação de apoio da parede da vala
(engastamento).
Forças envolvidas para o
dimensionamento de um bloco de
ancoragem
R = força resultante;
P = peso do bloco;
W = peso do aterro;
B = apoio sobre a parede da vala;
f = atrito sobre o solo;
M = momento de tombamento.49
ANCORAGEM DE ADUTORAS EM DECLIVE
Assentamento de tubulação enterrada com ancoragem por trecho travado
Assentamento de tubulação aérea: ancoragem tubo por tubo
50
PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO
51
Proteção catódica galvânica
Proteção catódica por
corrente impressa
Proteção catódica: injeção de corrente contínua na estrutura a ser
protegida elevando seu potencial em relação ao meio
LIMPEZA DE ADUTORAS
52
Sedimentação
Deposição de minerais insolúveis em
tubo de FD com revestimento. AAT
250 mm, ~ 15 anos, CHW ~ 85.
Incrustação
Incrustação em tubo de FD sem
revestimento. AAB, 250 mm, ~
25 anos, CHW ~ 70.
LIMPEZA DAS ADUTORAS
Variação do coeficiente de Hazen-Williams
devido a limpezas por raspagem
53
LIMPEZA DAS ADUTORAS
Entrada e saída do “polly-pig” em uma adutora
Introdução do “polly-pig”
através de hidrante, sem
registro
Introdução de “polly-pig”
através de uma peça
especial
Introdução do “polly-pig”
através de uma peça em Y54
APLICAÇÃO DO REVESTIMENTO DE ARGAMASSA DE CIMENTO
55
MEDIDORES EM CONDUTOS FORÇADOS
56
Medidores de vazão e de pressão
Venturi Orifício
MEDIDORES EM CONDUTOS FORÇADOS
57
Medidores de vazão
– Ultrassônicos
Modo diagonal
Modo reflexivo
– Eletromagnéticos
MEDIDORES EM CONDUTOS LIVRES
Vertedores
Calhas: Parshall, Palmer-Bowlus, etc.
Medidor acústico (ADCP)
etc.
58
INTERVENÇÃO EM ADUTORAS EM CARGA
59
Derivação pelo processo de
furação em carga da adutora do
SAM Leste da RMSP
EXEMPLOS DE TRAVESSIA AÉREA
60
Exercício
logo depois do intervalo!61