Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil
HIDRAULICA URBANA
Concepção de um sistema de abastecimento de água
Luís C. Silva | Luís M Silva | Rafael Oliveira 53775 | 51929 | 59689 Janeiro 2012
Índice INTRODUÇÃO INTRODUÇÃO ..................................................................... ............................................................................................................................ ....................................................... 4 1 - CAPTAÇÃO ..................................................................... ............................................................................................................................ ....................................................... 5 1.1. - Introdução ............................................................................................................. ........................................................................................................................ ........... 5 1.2 - Escolha do Local ................................................................... ............................................................................................................... ............................................ 5 1.3. - Tipo de captação e Justificação .................................................................. ........................................................................................ ...................... 6 1.4. - Elementos de conceção e dimensionamento ......................................................... .................................................................... ........... 6 1.5 - Disposições construtivas .................................................................. ................................................................................................... ................................. 7 1.6 - Estimativa de custo ................................................................................................... ........................................................................................................... ........ 8 2 - ADUÇÃO ELEVATÓRIA ................................................................................ ...................................................................................................... ...................... 9 2.1 - Introdução .............................................................................................................. ......................................................................................................................... ........... 9 2.2 - Escolha do traçado ........................................................................... ............................................................................................................ ................................. 9 2.3 - Elementos de conceção e dimensionamento .......................................................... ................................................................... ......... 11 2.3.1 - Características Caract erísticas das Condutas Utilizadas .................................................................. 11 2.3.2 – Estação elevatória ......................................................... .................................................................................................... ........................................... 12 2.4 - Cálculo Hidráulico da estação elevatória e do diâmetro das condutas ........................... 13 2.4.1 - Pré-dimensionamento da adutora elevatória ............................................................ ............................................................ 14 2.4.2 - Determinação da curva característica cara cterística do sistema elevatório .................................... 16 2.5 - Estimativa de Custo ........................................................................................................ ........................................................................................................ 22 2.5.1 - Custo de tubagem.......................................................... ..................................................................................................... ........................................... 22 2.5.2 - Custo de Investimento da adutora ................................................................... ............................................................................ ......... 23 2.5.3 - Custo de exploração – energia energia elétrica .................................................................... 26 2.6 - Disposições construtivas .................................................................. ................................................................................................. ............................... 30 3 – RESERVATÓRIO RESERVATÓRIO DE MONTANTE............................................................... ................................................................................... .................... 36 3.1 - Introdução .............................................................................................................. ....................................................................................................................... ......... 36 3.2 - Local de implantação .................................................................................. ...................................................................................................... .................... 37 3.3 - Elementos de conceção e dimensionamento .......................................................... ................................................................... ......... 38 3.4 - Disposições Construtivas ................................................................................................ ................................................................................................ 42 3.5 - Estimativa de Custo ........................................................................................................ ........................................................................................................ 43 3.4.1 - Custo de investimento do reservatório ............................................................ ..................................................................... ......... 43 3.4.2 - Custo de construção das estações de tratamento e da instalação do respetivo equipamento ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ 44 4 - ADUÇÃO GRAVÍTICA ............................................................ ....................................................................................................... ........................................... 45 4.1 - Introdução .............................................................................................................. ....................................................................................................................... ......... 45 4.2 - Escolha do traçado ........................................................................... .......................................................................................................... ............................... 45 2
Índice INTRODUÇÃO INTRODUÇÃO ..................................................................... ............................................................................................................................ ....................................................... 4 1 - CAPTAÇÃO ..................................................................... ............................................................................................................................ ....................................................... 5 1.1. - Introdução ............................................................................................................. ........................................................................................................................ ........... 5 1.2 - Escolha do Local ................................................................... ............................................................................................................... ............................................ 5 1.3. - Tipo de captação e Justificação .................................................................. ........................................................................................ ...................... 6 1.4. - Elementos de conceção e dimensionamento ......................................................... .................................................................... ........... 6 1.5 - Disposições construtivas .................................................................. ................................................................................................... ................................. 7 1.6 - Estimativa de custo ................................................................................................... ........................................................................................................... ........ 8 2 - ADUÇÃO ELEVATÓRIA ................................................................................ ...................................................................................................... ...................... 9 2.1 - Introdução .............................................................................................................. ......................................................................................................................... ........... 9 2.2 - Escolha do traçado ........................................................................... ............................................................................................................ ................................. 9 2.3 - Elementos de conceção e dimensionamento .......................................................... ................................................................... ......... 11 2.3.1 - Características Caract erísticas das Condutas Utilizadas .................................................................. 11 2.3.2 – Estação elevatória ......................................................... .................................................................................................... ........................................... 12 2.4 - Cálculo Hidráulico da estação elevatória e do diâmetro das condutas ........................... 13 2.4.1 - Pré-dimensionamento da adutora elevatória ............................................................ ............................................................ 14 2.4.2 - Determinação da curva característica cara cterística do sistema elevatório .................................... 16 2.5 - Estimativa de Custo ........................................................................................................ ........................................................................................................ 22 2.5.1 - Custo de tubagem.......................................................... ..................................................................................................... ........................................... 22 2.5.2 - Custo de Investimento da adutora ................................................................... ............................................................................ ......... 23 2.5.3 - Custo de exploração – energia energia elétrica .................................................................... 26 2.6 - Disposições construtivas .................................................................. ................................................................................................. ............................... 30 3 – RESERVATÓRIO RESERVATÓRIO DE MONTANTE............................................................... ................................................................................... .................... 36 3.1 - Introdução .............................................................................................................. ....................................................................................................................... ......... 36 3.2 - Local de implantação .................................................................................. ...................................................................................................... .................... 37 3.3 - Elementos de conceção e dimensionamento .......................................................... ................................................................... ......... 38 3.4 - Disposições Construtivas ................................................................................................ ................................................................................................ 42 3.5 - Estimativa de Custo ........................................................................................................ ........................................................................................................ 43 3.4.1 - Custo de investimento do reservatório ............................................................ ..................................................................... ......... 43 3.4.2 - Custo de construção das estações de tratamento e da instalação do respetivo equipamento ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ 44 4 - ADUÇÃO GRAVÍTICA ............................................................ ....................................................................................................... ........................................... 45 4.1 - Introdução .............................................................................................................. ....................................................................................................................... ......... 45 4.2 - Escolha do traçado ........................................................................... .......................................................................................................... ............................... 45 2
4.3. - Elementos E lementos de Conceção e Dimensionamento ................................................................ 47 4.4. - Calculo Cal culo Hidráulico .............................................................. ......................................................................................................... ........................................... 48 4.5. - Análise técnico-económica ................................................................................... ............................................................................................ ......... 51 4.6. - Disposições construtivas ................................................................. ................................................................................................ ............................... 52 4.7. - Estimativa de Custo ....................................................................................................... ....................................................................................................... 56 5. - RESERVATÓRIOS REGULARIZAÇÃO DE DISTRIBUIÇÃO.................... DISTRIBUIÇÃO........................................ .................... 59 5.1. – Introdução ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... 59 5.2. – Local Local de implantação .................................................................................................... 59 5.3. – Elementos Elementos de Concepção e dimensionamento .............................................................. 60 5.4. – Cálculo Hidráulico ........................................................................................................ 60 5.5. – Estimativa de Custos .......................................................... ..................................................................................................... ........................................... 62 5.6. – Disposições Construtivas .............................................................................................. 62 6. – CUSTOS TOTAIS DO PROJECTO ................................................................ .................................................................................... .................... 64 7. - CONCLUSÃO ................................................................. ...................................................................................................................... ..................................................... 65 BIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAFIA......................................................................................................................... ......................................................................................................................... 66 WEBGRAFIA ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. 66 ANEXOS.......................................................................................... ANEXOS..................................................................................................................................... ........................................... 67
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INTRODUÇÃO O projeto consiste em conceber e dimensionar um sistema de abastecimento de água. Para tal, considerar-se-á particularmente 5 pontos essenciais, a referir: captação, adutora elevatória, reservatório de montante, adutora gravítica e reservatório de jusante. Não obstante de possíveis exceções, para cada ponto referido far-se-á essencialmente uma breve introdução, cálculo hidráulico, dimensionamento e disposições construtivas. De referir que a análise de custo também está implícita a cada ponto. Sejam os custos de investimento ou de exploração das estações elevatórias para numa fase final realizar uma avaliação de custo global. Assim, na concepção do sistema o grupo teve em conta para além de condicionantes de ordem topográfica e de limitações exigidas (utilizações diárias), uma perspectiva funcional e integrada, em que todas as justificações necessárias ao entendimento deste são referidas. Note-se que as utilizações medias diárias fornecidas de calculo já comtempla o caudal relativo a fugas e risco de incêndio.
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1 - CAPTAÇÃO 1.1. - Introdução A captação apresenta-se como o ponto inicial de um sistema de abastecimento de água, deverá por isso ser dada a devida atenção à conceção e dimensionamento deste órgão, já que a sua falha implica um corte no abastecimento de água potável às populações. Por esta razão devem existir sempre origens alternativas que possam assegurar o abastecimento à população em caso de falha da captação usual. O principal objetivo de uma captação é a obtenção de água na quantidade requerida na situação de maior consumo ou seja a solicitação do ano horizonte de projeto, sem que ocorram interrupções no seu fornecimento. Para além de cumprir o objetivo principal a captação deve também ser projetada para que a água captada apresente a melhor qualidade possível de forma a minimizar os custos com posteriores tratamentos - para melhoria da qualidade da água. Para que de alguma forma esteja salvaguardada a saúde pública deverá existir uma proteção em redor da captação para impedir a contaminação da água quer sobre o ponto de vista físico quer sobre o ponto de vista bacteriológico. Por último deverá atender-se aos custos de construção e exploração os quais devem tentar ser minimizados cumprindo ao mesmo tempo todas as restrições técnicas impostas [7].
1.2 - Escolha do Local O local proposto no guia do trabalho prático para a construção da captação de água é a curva do Bioso, situada na freguesia de Gondomar. Contudo, foi detetada a existência da Estação de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) que serve o concelho da Póvoa de Lanhoso, 700m a montante da curva do Bioso na freguesia de Campos. Por razões de proteção da saúde pública o grupo considerou oportuno alterar a localização da captação para montante da descarga da ETAR, para a curva a montante da ponte de nasceiros. A curva a montante da ponte de nasceiros proporciona um menor risco de poluição e contaminação já que a descarga da ETAR se vai encontrar a jusante da captação, será relativamente fácil a instalação de medidas de proteção da captação. O local proporciona água em quantidade suficiente já que se trata de um rio com um caudal já considerável. Em termos de localização geográfica encontra-se muito próximo da localização proposta para o trabalho - sendo ainda mais fácil o acesso e o traçado para a adutora elevatória – ponto 2, uma vez que o local se encontra mais próximo de uma estrada que fornece ligações aos reservatórios. O local possui rede elétrica próxima que poderá ser utilizada na captação, Dever-se-á ter em consideração a cota de implantação dos equipamentos elétricos, uma vez que para uma situação de cheias não haja problemas.
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Figura 1 – Locais das captações e localização da ETAR
1.3. - Tipo de captação e Justificação Para a captação do sistema de abastecimento de água proposto, como a captação é efetuada num rio, os dois únicos tipos de captação potencialmente interessantes são a toma direta e a captação em subleito. Em concreto optou-se por se realizar uma captação em subleito já que o rio no local escolhido apresenta uma baixa velocidade de escoamento o que é favorável para este tipo de captação. Para além disso, uma captação em subleito proporciona uma maior constância da composição química, menor risco de contaminação e uma temperatura da água constante ao longo do ano. A melhor composição química da água é conseguida através da filtragem da mesma pelo material presente no subleito do rio. Isto origina menores custos com o tratamento da água, pois esta já apresenta uma boa qualidade devido à filtragem - o que se traduz numa água com um sabor mais agradável para o consumidor [1].
1.4. - Elementos de conceção e dimensionamento A captação para o sistema de abastecimento de água deverá ser capaz de produzir a solicitação para o ano horizonte de projeto. Particularmente, neste projeto garantir 10000m3/dia. Utilizando um fator de ponta diário de 1,5 o caudal de projeto para a captação é dado pela seguinte fórmula:
Substituindo vem,
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1.5 - Disposições construtivas Para a construção da captação deverá ser construído um poço na margem do rio. Para a construção do poço dever-se-á escavar um furo com cerca de dois metros de diâmetro e a profundidade deverá corresponder à máxima do rio, acrescida de dois metros para permitir a instalação dos drenos. A soleira do poço será em betão simples e as paredes em betão armado com uma espessura de 0,2m. A parte superior do muro será dotada de uma laje em betão armado, com tampas metálicas amovíveis. Para a instalação dos drenos horizontais proceder-se-á à abertura de uma vala desde o leito do rio até ao poço coletor. Os drenos, que serão em tubo PEAD deverão apresentar um diâmetro de projeto que permita a captação do caudal desejado. As fendas serão do tipo contínuo com cerca de 2mm de largura e deverão representar cerca de 50% da área do tubo sem comprometer a resistência mecânica deste. Deverá ser colocada uma camada de brita e areia em torno do dreno de forma a formar um filtro que impeça a entrada de material fino e para se aumentar a permeabilidade em torno do dreno. As dimensões dos constituintes do filtro deverão ser tais que permitam a retenção dos finos e impeçam a entrada de material com menos de 2mm no dreno. Os drenos deverão ter uma velocidade de entrada da água baixa, o que permite reduzir a entrada de finos e prolongar a longevidade dos drenos. Deverá ser ainda criada uma vedação que impeça o acesso de estranhos ou animais ao local da captação, esta é uma medida de proteção que visa reduzir a possibilidade de contaminação da água. Poder-se-á ainda adotar medidas de proteção ambiental em torno da captação que permitam que a qualidade da água não saia afetada.
Figura 2 – Corte da Captação
7
Figura 3 – Planta da Captação
1.6 - Estimativa de custo Dado que não estava no âmbito deste trabalho a realização do cálculo hidráulico que permitiria o dimensionamento da captação, torna-se difícil a quantificação de todos os trabalhos a realizar. Por esta razão é difícil fazer-se uma estimativa rigorosa do custo que permita obter com mais certeza o custo total da construção da captação. Contudo e após consulta da bibliografia consegue-se obter uma expressão que faz uma estimativa do custo total da captação em função do caudal de projeto. O custo total da captação pode então ser estimado por:
com o caudal em l/s.
Substituindo então o caudal por 261 l/s fica:
Uma estimativa para o custo de investimento da captação pela expressão utilizada será 69609,64€.
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2 - ADUÇÃO ELEVATÓRIA 2.1 - Introdução Como referido na introdução, pretende-se a conceção de um sistema integrado, que permita o abastecimento de água à População do concelho de Guimarães. Como descrito, existe entre o local de captação e o local a implantar - reservatório a jusante, um desnível de cotas considerável. Não obstante da possibilidade de existir apenas uma adutora elevatória entre pontos considerados, i.e. sem reservatório intermédio, projetar-se-á um sistema de abastecimento de água com três pontos principais: local de captação, reservatório intermédio de regularização de transporte e reservatório de distribuição a jusante. De facto, a consideração de um reservatório intermédio de regularização a cota superior – necessidade de elevar a água, permite o garantir de condições de funcionamento desejáveis – qualidade e segurança na continuidade do serviço caso exista algum problema a montante. Assim, a consideração de um sistema adutor elevatório permite que a rede seja alimentada por gravidade, garantindo a pressão mínima regulamentada, em todos os pontos da rede. Particularmente, o sistema adutor elevatório é de grande importância num sistema de abastecimento de água. Uma vez que a qualidade e continuidade do serviço dependem deste, a sua conceção deve ser estratégica, por forma a garantir que o seu controlo seja assegurado, que possíveis reparações sejam rapidamente realizadas e que apresentam no conjunto uma solução económica [1].
2.2 - Escolha do traçado A escolha do traçado é o elemento fundamental na avaliação económica do projeto, uma vez que todos os pontos a otimizar – dimensionamento da(s) conduta(s) e escolha das características do grupo eletrobomba, correspondem a etapas posteriores. Antes de qualquer definição do traçado, é importante referir que a posição do local para captação é a admitida no ponto 1, não correspondendo ao enunciado 1 em [2], ao contrário da posição referente ao reservatório de regularização de distribuição que não sofreu nenhuma alteração – reservatório de montante em [2]. Assim, definir-se-á o traçado tendo como conhecimento a localização dos pontos extremos. Desta forma, a análise pressupõe a avaliação das condições topográficas do local, de potenciais fatores condicionantes e da envolvente económica - custo associado à energia dos grupos eletrobomba e instalação da adutora elevatória. Após observação do local, é possível verificar a existência da estrada municipal M1391, cuja diretriz se desenvolve entre os pontos a unir. A existência de um eixo viário para a implantação das condutas, permite que: -não apresenta nenhum entrave em termos de expropriações; -facilita os trabalhos de implantação das condutas; -permite, em caso de possível avaria, o acesso rápido e sua reparação. Tendo em conta os pontos anteriores, a escolha do traçado da conduta será definido segundo o desenvolvimento em planta da estrada municipal M1391. Tal 1
Caso a localização da captação não fosse dado adquirido, ter-se-ia que estudar a sua posição, tendo em atenção o Artigo 60º do Capitulo V de [3]. 9
consideração, não sofre nenhuma alteração se se tiver em conta o custo da energia associado ao grupo eletrobomba, uma vez que o traçado não é sinuoso – figura 4.
Figura 4 – Esquematização em planta, do traçado das condutas entre o local de captação e o reservatório de montante.
O traçado definido apresenta um comprimento de 2,5 km e um desnível entre o local de captação e o reservatório de montante de: (270-150) = 120 m. Relativamente ao traçado, através da informação retirada em planta, é possível a execução de um perfil longitudinal, que permitirá a definição do modelo de cálculo hidráulico – ver ponto 2.4. e facilita o cálculo de volume de terras para abertura de valas para inserção das condutas.
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Tabela I – Tabela de pontos distância à origem – Cota, para construção de perfil longitudinal. Distância à origem (m) Cotas (m) 0 150 200 150 546,89 156 820,29 165 1251,55 176 1381,83 186 1493,49 196 1908,49 180 2031,87 197 2087,49 217 2329,99 243 2382,13 250 2427,7 254 2500 270
Pela tabela I, o perfil longitudinal entre o local de captação e o reservatório de montante é dado por:
Perfil Longitudinal 280 260 240 ) 220 m200 ( a t o180 C 160 140 120 100 0
500
1000 1500 Distância à captação (m) Perfil Longitudinal (m)
2000
2500
Gráfico 1 – Perfil longitudinal do terreno entre o local de captação e o reservatório de montante.
2.3 - Elementos de conceção e dimensionamento 2.3.1 - Características das Condutas Utilizadas
Considerou-se como material a utilizar para as condutas o Ferro fundido dúctil. Tal escolha deve-se principalmente ao facto deste tipo de condutas ser muito utilizado 2 e por apresentar grande resistência mecânica e durabilidade, entre outros – robustez, resistência ao impacto, resistência à abrasão, expansão térmica reduzida [4]. Assim, apresenta-se na Tabela II, as características utilizadas no dimensionamento do sistema adutor elevatório. 2
Condutas com este material são muito utilizadas porém, as condutas em PEAD são atualmente as que correspondem a um maior uso – material definido no projeto para as condutas de adução gravítica.
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Tabela II - Características das condutas utilizadas no dimensionamento do sistema adutor elevatório segundo [5].
Conduta em Ferro fundido dúctil (FFD)
Coeficiente de viscosidade cinemática (m2/s)
Rugosidade (m) k=
De referir que as funções de custos utilizadas, para a análise técnico-económica, são descritas em ponto posterior – Estimativa de Custos. 2.3.2 – Estação elevatória
A escolha da eletrobomba foi realizada segundo a aplicação interativa da WebCaps, no site da GrundFos [6]. A aplicação, através de dados fornecidos do sistema elevatório em estudo, permite a escolha de uma eletrobomba. É importante referir a sequência de passos estabelecida para a escolha definitiva. Esta é a seguinte: 1-Definir primeiramente a bomba catalogada que verifica as condições de Caudal e Desnível geométrico a vencer – com perdas de carga contabilizadas e altura de aspiração; 2-Uma vez encontrada a bomba existente em catálogo, concluir se o ponto de funcionamento respetivo é o pretendido, i.e. se em termos do par (H 0,Q) da 2ª fase3; 3-Se o ponto de funcionamento do passo anterior não for o pretendido, o grupo deve ajustar o diâmetro do impulsor 4 para que a condição se verifique. Para o ponto 1 foram introduzidos na aplicação WebCaps da Grundfos as grandezas do sistema relativo à 1ª fase (20 anos) - sequência de passos no anexo 1. O resultado verificou que a bomba catalogada no arquivo da Grundfos é a ilustrada na figura 5.
Figura 5 – Bomba escolhida e suas características.
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O caudal estudado é o da 2ª fase, uma vez que o grupo eletrobomba tem de assegurar o Caudal da 1ª e 2ª fase. Porém o considerado é o maior, logo o Caudal da 2ª fase. 4 O grupo optou por alterar o diâmetro do impulsor, poder-se-ia alterar a velocidade da bomba.
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Figura 6 – Representação da curva característica da bomba e do rendimento associado (Eta)
A curva característica da bomba e o rendimento são dados pela figura 6. A curva obtida na aplicação [6] encontra-se em anexo – ver anexo 2. Tal como espectado, a bomba da figura 5 não intersecta o ponto de funcionamento desejado – ponto a negrito na figura 6. Esta conclusão vai ser verificada pelo cálculo hidráulico – ponto posterior.
2.4 - Cálculo Hidráulico da estação elevatória e do diâmetro das condutas Previamente à realização do cálculo hidráulico, far-se-ão as considerações necessárias – Tabela III, IV. fpm= 1,3 β=3% (taxa de
crescimento do preço da energia)
D(mm) D(mm)
Tabela III – Tabela de considerações realizadas. Hg (altura t b (tempo de Custo 0.1€ / KWh geométrica) = 120m bombagem) = 20 h – 16h r = 5% (taxa de L (comprimento) = atualização) 2500m
1.15 10 6 m 2 / s Altura de aspiração =
3m
Tabela IV – Diâmetros nominais e interiores da conduta de FFD. 100 125 150 200 250 300 350 450 500 600 700 800 900 1000
400
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Figura 7 – Esquematização do problema referente ao sistema adutor elevatório. Caudais de cálculo:
(2)
em que Qc é o caudal de calculo, f pm o fator de ponta mensal, Umda a utilização média diária anual e tbmdmmu o tempo de bombagem medio diário do mês maior utilização;
1ª Fase – Ano 20
2ª Fase – Ano 40
2.4.1 - Pré-dimensionamento da adutora elevatória
Para o pré-dimensionamento, utilizam-se os critérios de velocidade mínima e máxima.
Velocidade mínima – 0,6m/s : Velocidade máxima:
0,676 m 0,4442 m
(3) (4)
Tendo em conta a tabela IV e os intervalos definidos em (3) e (4), os diâmetros escolhidos para analise são: D = 450mm, 500mm e 600mm. Seja V a velocidade dada por: transversal da conduta, então:
Seja Vmáx dada por:
, em que Qc é o caudal de calculo e S a área da secção
(5)
. (6)
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Assim, segundo (5) e (6) e tendo em consideração os 3 diâmetros escolhidos, calcular-se-ão as velocidades referentes à 1ªfase, 2ªfase e a velocidade máxima – Tabela V. Tabela V – Velocidades de escoamento para os diâmetros considerados.
Diâmetro (m) 0,45 0,50 0,60
V1ªfase (m/s)
= 1,348 1,092 0,758
V2ªfase (m/s) 1,419 1,149 0,798
Vmáx (m/s) 1,462 1,525 1,641
Verifica-se que os 3 diâmetros escolhidos verificam as condições de velocidade máxima e de velocidade mínima5 – 0,7 m/s. Apesar disto, verifica-se que para um diâmetro de 450 mm, as velocidades são elevadas e próximas do valor de velocidade máxima. Assim, ao invés de se escolher o que apresenta um diâmetro inferior, i.e. um custo de investimento menor, escolher-se-á o diâmetro intermédio – 500mm, por se deduzir que a conduta com um diâmetro de 450 mm, apresentará problemas de desgaste destas e consequentemente custos de reparação e manutenção a longo prazo. Em tom meramente justificativo, de referir que para o diâmetro de 600mm, as velocidades para a 1ª e 2ª fases são pouco superiores à velocidade mínima – 0,7 m/s, e portanto a escolha do diâmetro de 500 mm é a mais conservativa. Utilizando a equação de Darcy, a curva resistente, i.e. a curva característica de instalação é dada por:
∑ ∑ ∑
)
tal que:
f o
fator resistência de Darcy-Weisbach ,
- Somatório das perdas de carga localizadas e é dado pela perda de carga existente entre a captação e o grupo eletrobomba. Este parâmetro é calculado pela equação de Darcy, dada por:
Em que Hcaptação-bomba é o desnível geométrico entre o local de captação e a bomba – 3m ; ; Q = ; D = 0,5 m ; L6= 5m Assim, calcular-se-á a perda de carga , para posteriormente se agrupar esta grandeza na equação geral de perda de carga - ). A perda de carga é calculada por um processo iterativo:
5
Artigo 175º - Condutas elevatórias – [3]. De referir que muitos autores defendem uma velocidade mínima de 0,6 m/s, não havendo portanto um consenso geral. 6 Comprimento referente à distância em planta entre a captação e o grupo eletrobomba.
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A determinação de f é realizada segundo a equação implícita
admitido7.
[ ]
em que 0,0001 é o critério de paragem
2.4.2 - Determinação da curva característica do sistema elevatório
Para calcular a curva característica da bomba é necessário, primeiramente, definir o tipo de equação que a define. Como se visualiza pela figura 6, a curva pode ser dada como uma parábola e portanto apresenta, como função característica, a expressão: H b = AQ2 + BQ + C
(10)
Para o cálculo dos parâmetros A, B e C de (10), escolher-se-á três pontos da curva característica da bomba, pela figura 6. Assim, a Tabela VI sintetiza os pontos utilizados para o cálculo dos parâmetros anteriormente referidos. Tabela VI – Pontos e respetivos pares H-Q.
Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3
H0 (m) 160 146 125
Q (m /h) 0 1000 1800
Pela tabela VI, é possível calcular os parâmetros em falta na equação 10, resolvendo um sistema de equações a três incógnitas.
( ⁄ ( ⁄ ) (⁄ (⁄)
Substituindo os valores obtidos em 10, determina-se a curva característica da bomba: H b = -88,2.Q2 -25,9.Q + 160 ; Q(m3/s) , H b (m) Para a determinação da curva de rendimento da eletrobomba, seguir-se-á o mesmo raciocínio, tal que os pontos a utilizar são (pela figura 6): Tabela VII – Pontos e respetivos pares H-Q. Q (m /h) η Eta Ponto 1 0 0 7
Para o cálculo iterativo, para ser possível o cálculo considera-se
16
Ponto 2 Ponto 3
772 2200
70,3 80,0
Seja η= DQ2 + EQ + F , a determinação dos parâmetros D,E e F é dada por:
( ⁄ ( ⁄ ) (⁄ (⁄) Substituindo, vem que a curva rendimento é dada por:
η= -494,4.Q2 + 434,28.Q ; Q(m3/s) , η(%)
(11)
2.4.2.1 - Determinação do ponto de funcionamento Curva característica da bomba - H b = -88,2.Q2 -25,9.Q + 160 ; Curva resistente segundo (7) -
Colocando num sistema as duas curvas vem que:
{
Simplificando,
{
(12)
A determinação do ponto de funcionamento envolve a resolução do sistema de equações nãolineares anterior (12). Para sua resolução, utilizar-se-á um método iterativo, descrito adiante. O método iterativo consiste sucintamente em: 1- Dar valores ao coeficiente de atrito de Darcy f 0 ; 2- Determinar com o valor arbitrado o Q que resulta da intersecção de H b e Hr ; 3- Substituir o Q obtido na equação (7) do sistema (12); 4- Verificar se o parâmetro f obtido no passo 3 verifica a condição 5- Se não se verificar a condição do passo 4, repetir o procedimento.
| | ;
8
Assim, a Tabela VIII sintetiza as iterações realizadas para a 1ª fase (20 anos). A saber que:
8
Critério de paragem adotado de 0,0001.
17
Tabela VIII – Iteração realizada para o cálculo do ponto de funcionamento.
1ª iteração
D = 0,5 m
f 0 =
Q (m3/s) H b (m) Hr (m)
f 0 =
0,376 137,7 137,7
| |
f 0 =
1,919 1353,6 9,125
V(m/s) Q (m3/h) tbmdmmc(h)
3ª iteração
0,378 137,6 137,6
f
2ª iteração
1,92510 1360,8 9,0811 0,0002 Falso
-
0,00004 Verdadeiro
Pela tabela VIII verifica-se que o ponto de intersecção entre as curvas H r e H b encontra-se no ponto (Q;H0) – (1360,8 m3/s ; 137,6 m ) – como se verifica na figura 7.
Figura 8 – Ilustração gráfica do ponto de funcionamento da bomba, para a perda de carga existente.
De facto, o cálculo realizado e demonstrado na tabela VIII é apenas válido para a situação decorrente da curva correspondente à bomba obtida na fase 1 do ponto relativo a 2.3.1. Uma vez imposta a solicitação necessária – Utilizações médias diárias, o rendimento ao utilizar a eletrobomba em estudo é de 70,3 % e 72,8 12 % para 20 e 40 anos, respetivamente. 9
Valor de velocidade elevado. Valor de velocidade elevado. 11 Pela Tabela MMM é também verificado que o tempo de bombagem para um caudal de 0,378 m 3/s é de 9,08 h/dia. Uma vez que o caudal referido é superior ao necessário, então o tempo de 10
bombagem requerido é de 12
, tal como considerado inicialmente.
O cálculo do rendimento para 40 anos – 2ªfase, é obtido pela substituição de Q por 225,7 m 3/s em (11). Ou seja: η= -494,4.(225,7 10-3)2 + 434,28. (225,7 10-3) = 72,8 %.
18
Porém, a curva obtida não apresenta o ponto de funcionamento pretendido. Tal como o passo 2 do ponto 2.3.1 refere, é necessário redimensionar o impulsor para que o ponto de funcionamento da bomba seja exatamente o pretendido e se atinja o rendimento ótimo, isto é:
P(
; H) ,
Apesar de o grupo eletrobomba ser dimensionado para 20 anos, o grupo procura que o Caudal da 2ª fase (40 anos) seja contemplado no domínio admissível de funcionamento da bomba. Como o caudal da 2ª fase é superior, o ponto pretendido de funcionamento diz respeito a este caudal. Por outro lado, conseguir-se-á um custo de oportunidade da bomba – menor desperdício de utilização, pois a diferença de Caudal entre a 1ª e 2ª fase é pouco significativa. Relativamente à altura de elevação admitida para o ponto de funcionamento é obtido seguindo a mesma resolução iterativa descrita anteriormente. Ou seja: Q= ;
(14)
Como 1ª iteração f =15E-3
Tabela IX – Iteração realizada para cálculo da altura de elevação do ponto de funcionamento requerido.
1ª iteração f 0 =
D = 0,5 m
2ª iteração f 0 =
D = 0,5 m
Q (m3/s)
Hr (m)
V(m/s)
Q (m3/h)
tbmdmmc(h)13
0,2257
128,7
1,15
812,52
16 14
Q (m3/s)
Hr (m)
V(m/s)
Q (m3/h)
tbmdmmc(h)
0,2257
128,8
1,15
812,52
1614
| | | | f 1
0,0004 Falso !
f 1
0,00003 Verd.
Assim, o ponto de funcionamento a submeter à bomba é P ( ; H). Apesar disto, como referido anteriormente, para a 1ª fase a bomba funcionará num ponto próximo ao referido – não aproveitando totalmente a capacidade da bomba.
2.4.2.2 - Retificação do impulsor Antes de retificar o diâmetro do impulsor da bomba, calcular-se-á o rendimento e a altura de elevação ótimas da bomba. São obtidas através da condição (15): Seja:
H b = -88,2.Q2 -25,9.Q + 160 ;
η= -494,4.Q2 + 434,28.Q ;
O rendimento ótimo é obtido por:
Fazendo
, substituindo o caudal em H b, então:
Hótimo = 131,62 m ; = 95,37 %
13
Tempo de bombagem calculado pela equação . 14 A bomba está a ser dimensionada para um tempo de bombagem de 16h para a 2ª fase – mais desfavorável. Porém, apesar de existir um não aproveitamento total da bomba, para a 1ª fase esta funcionará também 16h por dia.
19
Pela equação (19) do capítulo - Instalações de Bombagem de água para abastecimento de [1]:
15
Assim, a curva característica da bomba e a de rendimento serão afetadas pelo fator , segundo as leis de semelhança, isto é:
Por sua vez, é possível também deduzir uma relação entre H ótimo e Hi e de Qótimo e Qi, ou seja:
Assim as novas equações – referentes ao ponto de funcionamento com rendimento ótimo, da curva característica da bomba e do rendimento:
Seja
A nova curva de rendimento é dada por:
Como
Seja o caudal de dimensionamento – Qi = 0,2257 m3/s
Assim, uma vez retificado o diâmetro do impulsor da eletrobomba definida no catálogo, obteve-se uma eletrobomba que se adapta ao ponto de funcionamento considerada e que apresenta um rendimento de 82,9%. Como requerido num projeto, para além da eletrobomba escolhida e necessária para que se verifiquem as condições de escoamento, é fundamental para assegurar a continuidade do sistema que se apresente um grupo eletrobomba idêntico em reserva. 15
O diâmetro do impulsor da eletrobomba recolhida pelo catalogo informático é de 629,9 mm.
20
2.4.2.3 - Verificação das condições de funcionamento em aspiração
O fenómeno de cavitação é prejudicial aos sistemas hidráulicos. Este fenómeno uma vez estabelecido numa bomba provoca perda de rendimento, ruídos, vibração, erosão e em casos extremos a inativação do material. As regiões mais afetadas pela cavitação são as das pás da roda, do lado da aspiração, junto da inserção do veio [7]. Para se definir as condições da bomba para que não ocorra cavitação, considerase as seguintes grandezas: Conduta de aspiração: Altura geométrica da aspiração ha = 5m;
Bomba:
; Q(m3/s) , H b (m)
pa (pressão atmosférica) = 1 atm = 1,01325 × 105 Pa ; pv (pressão de vapor 16 da água a 20ºC) = 2332,4 Pa ; (peso especifico da água) 9810 N/m3 ; ; Q1 (caudal da 1ªfase) = . Q2 (caudal da 2ªfase) =
Para que não ocorra cavitação, NPSH d > NPSHr tal que: NPSHd =
Perda de carga entre o reservatório de alimentação e a secção da flange de aspiração – calculado anteriormente) 17 = 0,62 m ; ha (altura de aspiração) = 3m ;
Substituindo, vem que: NPSHd =
O cálculo de NPSH r é obtido pela curva relativa à NSPH disponibilizada pela Grundfos – figura 8. NPSHr = 3 m.
Desta forma, a condição inicial admitida - NPSH d > NPSHr verifica-se uma vez que Assim, o fenómeno de cavitação não ocorre para o caso em estudo, tal como desejado.
16
Fonte: www.esac.pt/rnabais/cabulasopu1/CAVITA.doc Perdas de carga entre local de captação e a eletrobomba não são tão expressivas uma vez que a distância entre estes dois pontos é relativamente reduzida – 5m. 17
21
Figura 9 – Esquematização da curva à NPSH – bomba /629,9.
Em âmago de conclusão, o grupo eletrobomba catalogado apresentaria uma folga considerável entre a capacidade da eletrobomba utilizada e as solicitações de água necessárias - pode originar o aumento do custo de oportunidade. Poder-se-ia por forma a rentabilizar a eletrobomba durante o seu funcionamento diminuir o tempo de bombagem considerado – aumentaria o caudal. Porém tal solução não deve ser considerada, por duas razões fundamentais: -O tempo de paragem por dia do grupo eletrobomba aumentaria e consequentemente, tal como no caso anterior, os custos de oportunidade; -O tempo de bombagem considerado de 16h é bastante razoável. Desta forma, o grupo optou que a melhor solução era alterar o diâmetro do impulsor por forma a atingir o rendimento ótimo para o ponto de funcionamento desejado.
2.5 - Estimativa de Custo A estimativa de custos – particularmente de custos de investimento, apresenta-se como fase fundamental. 2.5.1 - Custo de tubagem Segundo a equação 53 do Capítulo referente a “ Benefícios e custos associados às utilizações da água” de [1], relativamente à equação referente ao custo da tubagem
de Ferro fundido dúctil (FFD) em função do diâmetro pode ser dada por: 22
putubFFD = 314,109.D 2 + 120,417.D + 10,127
(19)
em que putubFFD é dado em €/m e D em m;
Para um diâmetro utilizado de 500 mm = 0,5 m, o preço da tubagem por metro é igual a: putubFFD = 148,86 €/m. 2.5.2 - Custo de Investimento da adutora
O custo de investimento da adutora, engloba para além do custo da tubagem, calculado anteriormente, o custo do seu processo construtivo. Uma vez que se pretende definir o custo de construção das adutoras é necessário caracterizar o tipo de solo e respetivos coeficientes de empolamento e o perfil transversal-tipo a considerar, para que seja possível calcular as quantidades de trabalho relacionadas com o movimento de terras. Segundo o Regulamento Português 18 [MOPTC (1995)] a altura da vala é dada por h = 1,1 + D, e a largura da vala, uma vez que se dimensionou o Diâmetro de 500 mm, deve ser dada por: l = (0,5 + D). Assim, o perfil transversal-tipo é dado pela figura 9.
Figura 10 – Perfil Perfil transversal-tipo considerado segundo o MOPTC (1995).
Considerando que 80% dos solos são em terra compacta e o restante em rocha, definir-se-á como coeficientes de empolamento da terra e da rocha de 1,15 e 1,3, respetivamente. respetivamente. Ou seja: p terra=80% ; procha = 20% ; ceterra = 1,15 e ce rocha = 1,3 . Apresentando pela figura 10 o perfil transversal-tipo, e tendo conhecimento do diâmetro a utilizar – 500mm 500mm (Dexterior de de 520 mm19), é possível o cálculo de grandezas necessárias para o estudo de movimento de terras. Assim, deduz-se que: 18
Referenciado como RGSPPDADAR – Regulamento Regulamento Geral de Sistemas Públicos e Prediais de Água e de Drenagem de Águas Residuais. 19 Considera-se uma espessura do tubo de 2cm.
23
Altura média da vala = (1,1 + De) = 1,1+0,52 = 1,62 m Largura da vala = (0,5 + De) = 0,5 + 0,52 = 1,02 m Levantamento Levantamento e reposição de pavimento = (largura da vala + 2.0,30) = (0,5 + De + 2.0,3) = 0,5 + 0,52 + 0,6 = 1,62 m2/m Volume de escavação de terra = Vescavação x 0,8 = (De + 0,5)(1,1 +De).0,8 =(0,52 + 0,5)(1,1 + 0,52).0,8 =1,32 m3/m Volume de escavação de rocha = Vescavação x 0,2 = (De + 0,5)(1,1 +De).0,2 =(0,52 + 0,5)(1,1 + 0,52).0,2 =0,33 m3/m
Volume de aterro cirandado = [0,5 + De).(0,3 + De) -
]
= [0,5 + 0,52).(0,3 +0,52) ] =0,62 m3/m Volume de aterro simples = (0,5 + De).0,8 = (0,5 + 0,52).0,8 = 0,816 m 3/m Volume a transportar a vazadouro público: m3/m
Tabela X – Quantidades Quantidades de trabalho calculadas para a construção de adutoras em FFD. Diâmetro nominal (mm)
Diâmetro exterior (mm)
500
520
Levantam ento e reposição de pavimento (m2) 1,62
Volume de escavação de Terra (m3/m)
Volume de escavação de rocha (m3/m)
Volume de aterro cirandado (m3/m)
Volume de aterro simples (m3/m)
Volume a transporta r (m3/m)
1,32 1 ,32
0,33
0,62
0,816
0,511
Uma vez calculadas as quantidades de trabalho – Tabela Tabela X, importa fazer uma coleta de custos associados a cada uma das tarefas. A seleção dos custos referidos teve em conta o Quadro 2 da referência bibliográfica [5] e encontram-se transcritos na Tabela XI para o diâmetro nominal em estudo. Tabela XI – Preços Preços unitários médios do movimento de terras. Tipo de trabalho Volume de escavação terra compacta Volume de escavação em rocha Volume cirandado Volume de aterro simples Volume a transportar Acessórios e diversos
Custo €
3,99 17,46 3,74 3,49 1,25 10% do custo da tubagem de FFD
Os custos a calcular, relativos aos trabalhos da Tabela XI são calculados, para numa fase final se obter o custo de investimento total da construção da adutora (CIA). Assim: -Custo do Volume de escavação da Terra = 3,99 (€/m3) × 1,32 m 3 = 5,3€ -Custo do Volume de escavação de Rocha = 17,46 (€/m3) × 0,33 m 3 = 5,76€ 24
-Custo do Volume d e aterro cirandado = 3,74 (€/m3) × 0,62 m3 = 2,32 € -Custo do Volume de aterro simples = 3,49 (€/m3) × 0,816 m 3 = 2,85 € -Custo de Acessórios e diversos = 10% do custo da tubagem de FFD = 0,1×148,86 = 14,89€ -Custo do volume a transportar = 1,25 € × 0,511= 0,64 € Uma vez calculados, os custos podem ser sintetizados numa tabela e obtido o seu valor total parcial – Tabela Tabela XII. – Custos Tabela XII – Custos parciais para a construção de adutora em FFD. Diâmetro nominal (mm) 500
Volume de escavação de Terra
Volume de escavação de Rocha
(€)
(€)
5,3
5,76
Volume cirandado
Volume de aterro (€)
(€)
2,32
2,85
Volume transportar
Acessórios e diversos
(€)
(€)
0,64
14,89
Tubagem FFD20 (€)
Total Parcial (€)
148,86
180,62
Assumindo preços unitários para as quantidades de trabalho, o custo total da adutora é definido, tal como referido em [5] – equação equação 15, por: CIA pueT pT pueR p R
ceeT pT ceeR p R puT V e puc puT V c pua puT V a 1 pacc putub pu LRP Lv 2 0,30 D
em que: pueT – Preço Preço unitário da escavação em terra; pT – Percentagem Percentagem de terra; pueR – Preço unitário da escavação em rocha; – Preço – Percentagem pR – Percentagem de rocha; ceeT – Coeficiente Coeficiente de empolamento da terra; – Coeficiente ceeR – Coeficiente de empolamento da rocha; puT – Preço Preço unitário do transporte a vazadouro autorizado; Ve – Volume Volume de escavação; Vc – Volume Volume de aterro cirandado; puc – Preço Preço unitário do volume cirandado ou terras de empréstimo; Va – Volume Volume de aterro simples; pua – Preço Preço unitário do aterro simples; pacc – Custo Custo de acessórios e trabalhos diversos em percentagem do custo da conduta; putub – Custo Custo da conduta puLRP – Preço Preço unitário do levantamento e reposição de pavimentos.
Substituindo os Volumes da formula do custo – já já calculados anteriormente, obtém-se que: CIA pu eT pT pu eR p R ceeT pT ceeR p R puT D 2 1,6 D 0,55 puc puT 0,215 D 2 0,8 D 0,15 pu a puT 0,8 D 0,40 1 p acc putub pu LRP 1,1 D Para as diversas quantidades de trabalho e custos associados – Tabela X XI e XII, poder-se-á desenvolver desenvolver a igualdade igualdade anterior. Ou seja: seja:
Simplificando,
20
Valor considerado é o calculado no ponto anterior e não o referido em [5].
25
Pela equação anterior, todos os parâmetros são identificáveis, com exceção do preço unitário do levantamento e reposição de terras. O valor deste é referido, segundo [5] pelo Quadro 5 – Custos totais da adutora em FFD para diversos pavimentos. Uma vez que se pretende estudar o diâmetro de 500 mm e que o pavimento considerado é o tapete betuminoso 21. Assim, e tendo em conta a referência bibliográfica referida, a Tabela XIII define para o diâmetro em causa e para diferentes tipos de pavimentos, o custo associado ao levantamento e reposição. Tabela XIII – Custos parciais para a construção de adutora em FFD. Diâmetro (m)
Levantamento e Reposição.de Pavimento em semi penetração betuminosa
Levantamento e Reposição de Pavimento Tapete Betuminoso
Levantamento e Reposição de Pavimento de Cubos
0,500
16,54
34,70
14,93
Conhece-se portanto todos os parâmetros para definir o Custo total de construção da adutora elevatória. Este é dado, substituindo na igualdade anterior por:
2.5.3 - Custo de exploração – energia elétrica
O principal custo de exploração é o referente à energia elétrica. Este custo vai ser calculado para a 1ª fase -20 anos e 2ª fase – 40 anos. É calculado pelo valor atual do custo de energia – VACE, dado por [5]:
}
em que: e – etapa ou fase de investimento; n(e) – horizonte da etapa ou fase e; n(e-1)+1 – ano 1 da etapa e; Pote – Potência dos grupos de eletrobomba na fase e; Se – Fator que define tb t e pet e os atualiza, depende da lei de crescimento, do tempo de bombagem e do preço da energia; K e – Variável auxiliar - considerando para a zona em estudo, que o crescimento das utilizações aumentará progressivamente, adota-se para K e uma lei de crescimento linear. Seja o diâmetro da conduta de 0,5 m ; para a 1ª fase, tal que:
motor =
22
95% e
o rendimento da bomba
21
O grupo considerou o pavimento como tapete betuminoso, pois a localização das condutas far-se-á sobretudo sobre a estrada existente.
26
A potência é dada por: Substituindo:
É importante observar que, uma vez que o funcionamento da bomba foi otimizado – rendimento superior, a Potencia do grupo eletrobomba calculada é inferior à relativa ao grupo eletrobomba disponibilizado anteriormente pelo catálogo – 383 kW. Assim, para além de se diminuir o custo de oportunidade, o custo de exploração vem também diminuído. Seja: (Umda)i = (Umda)0 (1+.i), então para o ano 20 e ano 40 vem respetivamente que: (Umda)20 = (Umda)0 (1+.20) 9500 = 8000.(1+
(Umda)40 = (Umda)20 (1+.20)
10000 = 9500.(1+
Os coeficientes de crescimento das progressões geométricas calculadas - e , apresentam baixo valor. Tal aspeto é esperado, uma vez que pela tabela das utilizações do Guia de Trabalho – [2], se verifica que o crescimento destas é reduzido para a zona em estudo. Para o cálculo do VACE, de referir que se estudará duas propostas. Isto porque, a capacidade de elevação da bomba é superior às solicitações caso esta funcionasse 16h por dia, até ao Ano 40 – ano considerado para que não se tenha de trocar o modelo da mesma no ano 20, então é possível deduzir que: Assim, a eletrobomba pode elevar o caudal máximo para o desnível pretendido – ponto de funcionamento. Como as solicitações pretendidas são inferiores, requer que o tempo de funcionamento seja inferior. Considerando que a taxa de crescimento do preço da energia = 3% e a taxa de atualização r = 5%, e que:
Assim, o Custo da energia é dado por:
CE ano i Pot. tbmda ano i 365 Pe0 (1 ) ano i
E o VACE – (valor atual do custo de energia) , vem que:
22
O rendimento do motor é dado no catálogo da GrundFos.
27
Apresentar-se-á, como referido anteriormente, duas propostas com vista a obter a mais rentável em termos de custos de exploração. A primeira solução é admitir que a bomba funciona 16 horas diárias, para cada Ano i, sendo que o caudal bombado é função da solicitação respeitante ao ano i. Desta forma, uma vez que as solicitações aumentam até ao Ano 40, o caudal bombado tende a aumentar, em que se apresenta como parâmetro fixo o tempo de bombagem – 16 horas/dia. Pela Tabela XIV apresenta-se a exposição do cálculo do VACE para esta proposta. Relativamente à proposta 2, propõe-se que a bomba funcione no seu ponto de funcionamento ótimo – calculado anteriormente, que é referente ao Caudal bombado equivalente à solicitação do Ano 40 – justificado em ponto anterior. Desta forma, é expectável verificar-se, uma vez que: - Considerou-se que no Ano 40 a bomba apresentasse um tempo de bombagem de 16 horas por dia; - As solicitações anuais até ao ano 40 – 2ª fase são menores, e uma vez que o caudal bombado pela bomba é portanto superior ao requerido, que o tempo de bombagem seja inferior a 16 horas; Os pontos anteriores são de facto óbvios, se se considerar a proposta 2 e portanto, deverão ser verificados na exposição dos cálculos do VACE – Tabela XV. Tabela XIV – Cálculo do VACE, para a proposta 1 até ao ano 40 – 2ª fase.
Ano 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Umda 8000 8075 8150 8225 8300 8375 8450 8525 8600 8675 8750 8825 8900 8975 9050 9125 9200 9275 9350 9425 9500 9525
t bmda (h/dia) 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16
Caudal (m3/s) 0,18056 0,18225 0,18394 0,18563 0,18733 0,18902 0,19071 0,19240 0,19410 0,19579 0,19748 0,19918 0,20087 0,20256 0,20425 0,20595 0,20764 0,20933 0,21102 0,21272 0,21441 0,21497
CE ( €) 206736,00 212938,08 219326,22 225906,01 232683,19 239663,69 246853,60 254259,20 261886,98 269743,59 277835,90 286170,97 294756,10 303598,79 312706,75 322087,95 331750,59 341703,11 351954,20 362512,83 373388,21 384589,86
VACE (€) 206736,00 202798,17 198935,35 195146,10 191429,04 187782,77 184205,95 180697,27 177255,42 173879,12 170567,14 167318,24 164131,23 161004,92 157938,16 154929,81 151978,77 149083,93 146244,24 143458,64 140726,09 138045,59 28
22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
9550 9575 9600 9625 9650 9675 9700 9725 9750 9775 9800 9825 9850 9875 9900 9925 9950 9975 10000
16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16
0,21554 0,21610 0,21667 0,21723 0,21779 0,21836 0,21892 0,21948 0,22005 0,22061 0,22118 0,22174 0,22230 0,22287 0,22343 0,22400 0,22456 0,22512 0,22569
396127,55 408011,38 420251,72 432859,27 445845,05 459220,40 472997,02 487186,93 501802,53 516856,61 532362,31 548333,18 564783,17 581726,67 599178,47 617153,82 635668,44 654738,49 674380,64
135416,15 132836,80 130306,57 127824,54 125389,79 123001,41 120658,53 118360,27 116105,79 113894,25 111724,84 109596,74 107509,19 105461,39 103452,61 101482,08 99549,09 97652,91 95792,86 Custo Total (€) 5920308
Tabela XV – Cálculo do VACE, para a proposta 2 até ao ano 40 – 2ª fase.
Ano 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Umda (m Caudal (m3/s) 8000 0,226 8075 0,226 8150 0,226 8225 0,226 8300 0,226 8375 0,226 8450 0,226 8525 0,226 8600 0,226 8675 0,226 8750 0,226 8825 0,226 8900 0,226 8975 0,226 9050 0,226 9125 0,226 9200 0,226 9275 0,226 9350 0,226 9425 0,226 9500 0,226
t bmda (h/dia) 12,8 12,92 13,04 13,16 13,28 13,4 13,52 13,64 13,76 13,88 14 14,12 14,24 14,36 14,48 14,6 14,72 14,84 14,96 15,08 15,2
CE ( €) 165394 171953 178756 185813 193133 200724 208598 216762 225230 234010 243114 252553 262341 272488 283008 293914 305220 316939 329087 341679 354729
VACE (€) 165394 163764 162137 160512 158891 157273 155659 154049 152444 150845 149251 147663 146081 144506 142938 141378 139825 138279 136742 135214 133694 29
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
9525 9550 9575 9600 9625 9650 9675 9700 9725 9750 9775 9800 9825 9850 9875 9900 9925 9950 9975 10000
0,226 0,226 0,226 0,226 0,226 0,226 0,226 0,226 0,226 0,226 0,226 0,226 0,226 0,226 0,226 0,226 0,226 0,226 0,226 0,226
15,24 15,28 15,32 15,36 15,4 15,44 15,48 15,52 15,56 15,6 15,64 15,68 15,72 15,76 15,8 15,84 15,88 15,92 15,96 16
366332 378312 390681 403451 416636 430249 444304 458815 473797 489265 505234 521721 538743 556316 574459 593190 612528 632492 653103 674381
131492 129326 127194 125097 123034 121004 119006 117041 115107 113205 111333 109492 107680 105897 104144 102419 100721 99051,6 97408,9 95792,9 Custo total (€) 5391985
Pelas Tabelas expostas relativas à proposta 1 e 2, verifica-se que o somatório do VACE obtido para cada ano, até ao ano 40 é respetivamente de 5920308 € e 5391985 €. Verifica-se portanto que a 2ª proposta é a mais vantajosa. Em termos relativos, poder-se-á afirmar que globalmente apresenta ao fim de 40 anos, um custo de exploração inferior de comparativamente à proposta 1. Justifica-se portanto, que a bomba funcionará no regime conforme a proposta 2 – importante para definir a capacidade do reservatório de regularização de bombagem.
2.6 - Disposições construtivas Relativamente à disposição construtiva do edifício onde está localizada a estação elevatória, o grupo optou por considerar os seguintes elementos constituintes, esquematizados na figura 11: - Conduta de aspiração; - Equipamento elevatório; - Conduta elevatória; - instalações de apoio – composta por sala de máquinas, bancadas de comando e trabalhos e sobressalentes e instalações sanitárias [1]; - sala de aspiração; - sala de geradores; - sala de operações, que contém os diapositivos de controlo, comando e proteção; 30
Figura 11 - Planta dos elementos constituintes do sistema elevatório. O edifício não apresenta constrangimento de maior, em termos de limitação da área e de pé direito, logo prevê-se a construção de um espaço com área suficiente para movimentar equipamento através de portas e corredores. Na planta de esquematização dos elementos constituintes não pormenoriza detalhes inerentes, como a ventilação das salas, como vidros basculantes nas janelas e aberturas com grades na parte interior das portas [1]. Relativamente aos grupos eletrobomba, prevê-se o espaço para três – bomba principal ou ativa, bomba de reserva e bomba futura. Os grupos devem ser fixos em maciços de betão com fundação própria, isolados lateralmente por placas para atenuar transmissão de vibrações. Esquematizar-se-á também o pormenor do corte da instalação do sistema elevatório - figura 12 e da bomba escolhida, em perfil e em corte – figura 13 e 14 respetivamente.
31
Figura 12 – Corte da Instalação do sistema elevatório
Figura 13 – Perfil do motor da electrobomba
Figura 14 – Corte do motor da electrobomba
32
Para o bom funcionamento das estações elevatórias empregar-se-ão equipamentos acessórios. São estes: válvulas de seccionamento, válvulas de retenção, sistemas de purga, válvulas de redução, ventosas e descargas de fundo. Ventosas As ventosas são dispositivos colocados nos pontos elevados da adutora e permitem a expulsão de ar controlada – para evitar sobrepressão, que normalmente se acumula nestes pontos. Tendo em conta o perfil longitudinal realizado para a conduta adutora elevatória – Gráfico 1, a ventosa a instalar localizar-se-á aos 1500 metros em relação ao local de captação – ponto alto [7].
Descargas de fundo Tem o objetivo de permitir esvaziar completamente a conduta, sempre que qualquer reparação o imponha. Pelo perfil longitudinal – gráfico 1, verifica-se como ponto baixo a instalar uma descarga de fundo aos 2000 metros, contabilizado a partir do local de captação [7].
Válvulas de seccionamento: A finalidade deste tipo de acessório é garantir o devido isolamento das condutas, aquando uma possível alteração ou reparação de troços existentes ou de uma eletrobomba. Instalar-se-á válvulas à saída do reservatório inicial, e antes e depois de cada eletrobomba. Particularmente, as válvulas colocadas imediatamente a jusante do grupo eletrobomba permite proceder a uma diminuição de Caudal debitado, por um processo simples de regulação da válvula – evitando o número de arranques e paragens do grupo eletrobomba e portanto mitigar os efeitos do choque hidráulico. As válvulas de seccionamento-tipo consideradas são em ferro fundido dúctil e do tipo borboleta e vão ser instaladas no início e fim da adutora elevatória e a montante e jusante da ventosa considerada.
Figura 15 – Válvula de seccionamento do tipo borboleta.
Válvulas de Retenção As válvulas de retenção asseguram que o escoamento se verifique apenas numa direção, garantindo que não haja a sua inversão. As válvulas de retenção consideradas são do tipo charneira, por serem válvulas de baixo custo e introduzirem baixa perda de carga apesar do tempo de fecho ser grande. 33
Para o projeto em causa, prevê-se a instalação de uma válvula de retenção a jusante do grupo de eletrobombas [7].
Figura 16 – Válvula de retenção de charneira.
Sistema de purga Para o funcionamento adequado dos grupos eletrobomba prevê-se um sistema de purga, uma vez que as bombas consideradas não apresentam um sistema próprio instalado – “The pumps are non- self priming” [8]. Apresentar-se-á portanto, a inserção de uma válvula de purga automática para libertação de ar.
Figura 17 – Sistema de purga.
Válvulas de redutora de pressão A válvula redutora de pressão é concebida para abrir quando a pressão sobe para além de um valor de referência [1]. Este sistema será instalado na conduta adutora elevatória, a jusante do grupo eletrobomba, para que se aproveita na íntegra a descarga de água no reservatório de Gondomar – reservatório de regularização de bombagem.
34
Figura 18 – Válvula de alívio de pressão.
35
3 – RESERVATÓRIO DE MONTANTE 3.1 - Introdução Na generalidade, os reservatórios utilizados num projeto de abastecimento de água, apresenta três tipos de classificação. A classificação dos reservatórios pode ser estabelecida da seguinte forma:
Consoante a sua função -reservatórios de regularização de transporte ou intermédios; -reservatórios de distribuição; -reservatórios para combate a incêndios. Os reservatórios de regularização de transporte são reservatórios intercalados no sistema adutor que têm por objetivo servir de meio regularizador aos diferentes regimes de funcionamento do sistema. De entre as suas variadas aplicações pode referir-se a regularização de transições entre condutas elevatórias e adutoras gravíticas, ou entre uma estação de tratamento e o antecedente ou sequente troço adutor. Os reservatórios de distribuição são as instalações de armazenamento que alimentam diretamente as redes de distribuição. De entre as múltiplas finalidades que estes reservatórios podem ter, apresentam-se as seguintes: -regularizar o funcionamento do grupo de eletrobomba. No caso da adução imediatamente a montante ser efetuada através de uma conduta elevatória, o reservatório assegura um funcionamento regular das comas, que poderão deste modo trabalhar próximas do ponto de rendimento máximo, com uma relação altura de elevação-caudal aproximadamente constante. -armazenar a água excedente, quando o caudal de consumo for inferior ao de adução, e garantir mas horas de ponta os caudais máximos de consumo na rede de distribuição sem necessidade de fazer variar o caudal na adução. Esta função de volante de regularização, permitindo uma adução em regime constante ou intermitente, conduz a uma apreciável economia do sistema adutor que se traduz, de um modo geral, numa economia do sistema de abastecimento; -assegurar uma reserva destinada a fazer face a possíveis interrupções do fornecimento normalmente garantido pela adução, em consequência de uma rotura na conduta, de um acidente na captação, de uma falha de energia, entre outros; -constituir uma reserva para o combate a incêndios; -estabilizar as pressões na rede de distribuição;
Consoante a sua implantação -apoiados; -semi-enterrados; -enterrados; -elevados; Quando a laje do fundo dos reservatórios assenta diretamente no terreno diz-se que os reservatórios são do tipo térreo. Estes reservatórios podem ainda ser distinguidos como reservatórios apoiados no solo, reservatórios semi-enterrados ou reservatórios enterrados. 36
Por sua vez, quando a laje do fundo do reservatório se encontra acima do solo, apoiada numa estrutura de suporte, diz-se que são do tipo elevado ou em torre.
Consoante a sua capacidade 23: -pequenos, com capacidade inferior a 500 m 3; -médios, com capacidade entre 500m 3 e 5000m3; -grandes, com capacidade superior a 5000m 3. Em relação à sua construção, devem considerar-se alguns aspetos a ter em conta: -Construção de uma vedação na área circundante ao reservatório, por forma a preservar a qualidade da água e para evitar infiltrações; -O reservatório deverá ser coberto e construído com materiais duradouros e estanques, que não interfiram quimicamente com as propriedades da água; -O interior do reservatório deverá ser acessível para permitir inspeções periódicas; -Deverá assegurar-se a circulação da água armazenada tendo por objetivo evitar a sua estagnação - que permita o desenvolvimento de microrganismos; -O reservatório deve ser compartimentado, uma vez que para além de dar maior solidez ao conjunto, permite inspeções, limpeza e reparações parciais evitando que o reservatório fique fora de serviço aquando se verifique a necessidade de proceder a estas tarefas.
3.2 - Local de implantação Ao contrário do local de para a captação, o local de implantação do reservatório de montante é o definido à priori segundo o guia orientador do Projeto [2].
Figura 19 – Local definido para o reservatório de montante – reservatório de regularização de transporte [2].
23
Classificação adotada pela Regulamentação Nacional.
37
3.3 - Elementos de conceção e dimensionamento O reservatório deve ser dimensionado para apresentar uma capacidade, correspondente à maior diferença entre o volume de água aduzido a montante, e o volume de água cedido a jusante. Como definido em 2.5.3, o caudal aduzido ao reservatório é por dia equivalente ao valor cedido ao reservatório de distribuição. Porém, apesar do referido pela Tabela XV verifica-se que o tempo de bombagem varia consoante o ano i em estudo. Desta forma, será necessário estudar, para o Ano 0, Ano 20 e Ano 40 o gráfico dos caudais aduzidos e cedidos ao reservatório para concluir qual a capacidade máxima requerida. Dever-se-á ter em atenção o período de funcionamento que a estação elevatória deve funcionar. Considerando que os grupos de eletrobomba funcionam preferencialmente fora das horas de energia elétrica mais cara, neste caso entre as 10h e 12h da manhã e ao fim da tarde no período compreendido entre as 19h e as 21 horas.
-Ano 0 Primeiramente, referir-se-á que o horário de funcionamento do grupo eletrobomba, para o ano 0, é efetuado a partir das 21h até ás 10h da manhã. Seja V, o volume de água diário que é aduzido pela estação elevatória em 12,8 hora, então o caudal a entrar por hora no reservatório é equivalente a: 24 m3/h qs= 1,85 Relativamente ao caudal cedido pelo reservatório, seja V o volume de água equivalente à solicitação diário no ano 0, então: m3/h qe=1 É possível apresentar, consoante as horas de um dia, a relação entre os caudais aduzidos e cedidos no reservatório de regularização de transporte – Tabela XVI.
24
Arredondar-se-á, por simplificação, que o tempo de funcionamento da estação elevatória é de 13 horas por dia – apesar de concretamente ser de 12,8 horas/dia.
38
Tabela XVI – Cálculo da capacidade de regularização de transporte. Tempo (horas) Volume cedido qs Volume aduzido qe |qs-qe| 21 0 0 0 22 1 1,846 0,846 23 2 3,692 1,692 24 3 5,538 2,538 1 4 7,384 3,384 2 5 9,23 4,23 3 6 11,076 5,076 4 7 12,922 5,922 5 8 14,768 6,768 6 9 16,614 7,614 7 10 18,46 8,46 8 11 20,306 9,306 9 12 22,152 10,152 10 13 24 11 11 14 24 10 12 15 24 9 13 16 24 8 14 17 24 7 15 18 24 6 16 19 24 5 17 20 24 4 18 21 24 3 19 22 24 2 20 23 24 1 21 24 24 0
Capacidade do Reservatório 30 25 20 m Q / 15 l o V10
Volume Cedido
5 0 21 22 23 24 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Tempo (horas)
Gráfico 2 – Evolução dos volumes ao longo do dia para o ano 0. O máximo afastamento entre a lei de adução e a lei dos caudais acumulados distribuídos ocorre às 10h da manhã – Gráfico2. Capacidade do reservatório = Cap R =
m3 39
-Ano 20 Seja V, o volume de água diário que é aduzido pela estação elevatória em 15,2 horas, então o caudal a entrar por hora no reservatório é equivalente a: 25 m3/h qs= 1,6 Relativamente ao caudal cedido pelo reservatório, seja V o volume de água equivalente à solicitação diário no ano 0, então: m3/h qe=1 É possível apresentar, consoante as horas de um dia, a relação entre os caudais aduzidos e cedidos no reservatório de regularização de transporte – Tabela XVII.
Tabela XVII – Cálculo da capacidade de regularização de transporte. Tempo (horas) Volume cedido qs Volume aduzido qe |qs-qe| 21 0 0 0 1 1,6 22 0,6 23 2 3,2 1,2 3 4,8 24 1,8 1 4 6,4 2,4 2 5 8 3 6 9,6 3 3,6 4 7 11,2 4,2 5 8 12,8 4,8 6 9 14,4 5,4 10 16 7 6 8 11 17,6 6,6 9 12 19,2 7,2 10 13 20,8 7,8 11 14 20,8 6,8 15 20,8 12 5,8 13 16 22,4 6,4 14 17 24 7 18 24 15 6 16 19 24 5 20 24 17 4 18 21 24 3 22 24 19 2 20 23 24 1 21 24 24 0
Como se verifica pela Tabela XVII a máxima diferença existente de volume entre a lei aduzida e a lei de caudais cedidos é de 7,8Q m. Tal valor é inferior ao calculado para o Ano 0.
Ano 40
25
Arredondar-se-á, por simplificação, que o tempo de funcionamento da estação elevatória é de 15 horas por dia – apesar de concretamente ser de 15,2 horas/dia.
40
Seja V, o volume de água diário que é aduzido pela estação elevatória em 16 horas, então o caudal a entrar por hora no reservatório é equivalente a: m3/h qs= 1,5 Relativamente ao caudal cedido pelo reservatório, seja V o volume de água equivalente à solicitação diário no ano 0, então: m3/h qe=1 É possível apresentar, consoante as horas de um dia, a relação entre os caudais aduzidos e cedidos no reservatório de regularização de transporte – Tabela XVII.
Tabela XVIII – Cálculo da capacidade de regularização de transporte. Tempo (horas) Volume cedido qs Volume aduzido qe |qs-qe| 21 0 0 0 22 1 1,5 0,5 2 3 23 1 24 3 4,5 1,5 4 6 1 2 2 5 7,5 2,5 3 6 9 3 7 10,5 4 3,5 5 8 12 4 9 13,5 6 4,5 7 10 15 5 11 16,5 8 5,5 9 12 18 6 10 13 19,5 6,5 14 19,5 11 5,5 12 15 19,5 4,5 16 21 13 5 14 17 22,5 5,5 15 18 24 6 19 24 16 5 17 20 24 4 21 24 18 3 19 22 24 2 23 24 20 1 21 24 24 0
Como se verifica pela Tabela XVIII a máxima diferença existente de volume entre a lei aduzida e a lei de caudais cedidos é de 6,5.Q m. Tal valor é inferior ao calculado para o Ano 0. Em conclusão, o ano determinante para o dimensionamento da capacidade do reservatório é o 0. Para este, a capacidade resultante total do reservatório é de m3. Para o reservatório em causa, não serão admitidos os caudais para garantir, segundo o RGSPPDADAR, as situações de emergência de incêndio e avarias a montante. Estes caudais serão assegurados no dimensionamento da capacidade do reservatório de regularização de distribuição – ponto posterior.
41
Considerando a nota introdutória 3.1, justifica-se a utilização de pelo menos duas células conjuntas a um reservatório. Seja a sua forma geométrica um cilindro, o volume de cada reservatório é dada por:
É necessário assegurar uma capacidade total do reservatório de m3. Por simplificação, admite-se que a capacidade de dimensionamento é de 3700 3 m . Desta forma, como se considera a utilização de um reservatório com duas células, a capacidade de cada é dada por m3. Seja a altura admitida de 5 metros, poder-se-á determinar o diâmetro de cada célula. Assim:
Utilizar-se-á, pelos resultados obtidos, um reservatórios com duas células com diâmetro de 22 metros e capacidade de 1850 m 3. Tabela XIX – Tabela com dados característicos ao dimensionamento do reservatório de regularização de transporte.
Nº de Reservatórios Nº de Células utilizadas Diâmetro de cada célula Volume de cada célula Volume total
Dimensionamento 1 Reservatório de dimensões médias 2 22 m 1850 m 3700 m
3.4 - Disposições Construtivas Pelo dimensionamento, o reservatório de regularização de distribuição apresenta duas células de diâmetro igual a 22 metros. É um reservatório de dimensões médias e será do tipo térreo, apoiado à superfície. O material escolhido para construção do reservatório é o betão armado, que garante a redução dos volumes dos materiais a transportar para o local de trabalho, comparativamente com as soluções em alvenaria, e porque garante a estanquidade. A altura, como dimensionada, de cada célula do reservatório é de 5 metros. Relativamente à superfície interior das células serão realizadas, como usualmente, com o tradicional reboco com argamassa rica em cimento e com aditivo hidrófugo. Na cobertura, utilizar-se-á uma laje de betão, que diminui a dificuldade de execução das cofragens, com uma inclinação de 2% para assegurar o escoamento de águas pluviais [7]. De referir ainda a instalação de uma descarga de fundo em cada célula, para o respetivo esvaziamento e para a drenagem de águas de lavagem. É necessário ter em conta alguns aspetos preconizados, sejam por exemplo: 26
Ver nota introdutória - Reservatórios médios - capacidade entre 500m 3 e 5000m3.
42
-segundo a NP-839, a soleira deve ter um declive não inferior a 1% para a descarga de fundo; -segundo a NP-839, o ralo da tubagem de saída das células do reservatório devese situar a 15cm a 20cm acima da base de uma caldeira executada na soleira do reservatório. Por fim, ter em conta que tal como mencionado em ponto anterior, a água do reservatório merecerá de um tratamento através da introdução de cloro, como método de controlo anti bacteriológico. Assim, o grupo considera a existência de dois pontos para implementação de bombas doseadoras de cloro, próximo de cada célula do reservatório.
Figura 20 – Reservatórios de regularização de bombagem
3.5 - Estimativa de Custo 3.4.1 - Custo de investimento do reservatório
O custo de construção do reservatório envolve a análise de várias variáveis, como o tipo de material a utilizar, área de terreno a atuar – escavação e aterro, tipo de cobertura, mão-de-obra entre outros, o grupo optou por utilizar uma fórmula empírica. A fórmula para a estimar o custo de investimento do reservatório é a definida por Lencastre (1995), e justifica-se a sua utilização devido à dificuldade presente em quantificar todos os custos referentes às variáveis de projeto condicionantes do custo. Assim, o custo do investimento de um reservatório segundo Lencastre (1995) é dada por: CIR = 48,7.Cap 0,803
(22)
Em que Cap - capacidade do reservatório (m 3) e CIR (em 1000$). 43
A fórmula apresenta- se deduzida para a unidade monetária $. Seja 1€=200,482$, por forma a atualizar a fórmula dada por Lencastre, para que o dado de saída seja expresso em €, vem que:
CIR =
.
Seja para o reservatório dimensionado Cap = 3700 m 3, então CIR vem que: CIR =
.
3.4.2 - Custo de construção das estações de tratamento e da instalação do respetivo equipamento
Relativamente ao custo associado ao tratamento da água que é aduzida ao reservatório, este está relacionado com o custo das bombas doseadoras de cloro e respetivos locais para o seu armazenamento e do cloro - uma vez que a introdução do cloro far-se-á diretamente sobre as células do reservatório. Caso a analise química sobre o estado de purificação da água de abastecimento, para avaliação da potabilidade requerida para consumo humano verifique que esta não está em condições, o grupo projeta que será necessária a introdução ao longo da conduta adutora de pontos de recloração [9]. Relativamente ao cálculo do custo específico, definir-se-á que será 10% do custo total de investimento do reservatório de regularização de bombagem. Como tal, o custo da construção das estações de tratamento e da instalação do respetivo equipamento (CCET) é dado por: CCET =
44
4 - ADUÇÃO GRAVÍTICA 4.1 - Introdução A técnica usualmente mais utilizada para o transporte de águas à população é através da adução gravítica. Por ser um sistema que transporta a água sobre pressão, apresenta-se como uma excelente solução em termos de saúde pública, já que não existem riscos de contaminação da água ao longo do seu transporte, pois mesmo que exista uma fuga na adutora, como a água se encontra sobre pressão vai ter tendência para sair da conduta - impedindo assim a entrada de água não tratada. Por se tratar de um sistema que quase não apresenta custos de exploração, a não ser a manutenção e pequenas reparações, é um sistema que acaba por ser utilizado muitas vezes ao longo de dezenas de quilómetros, pois apesar de o seu custo de investimento ser uma parcela significativa do custo total do sistema de abastecimento de água é muitas vezes compensado pelo facto de não apresentar custos de exploração, como é o caso das estações elevatórias, sendo assim economicamente mais vantajoso a utilização da adução gravítica. Para se poder proceder ao dimensionamento de uma adutora gravítica é necessário definir o seu traçado em planta e conhecer o seu perfil longitudinal, assim como calcular o caudal de projeto para o ano horizonte do investimento. A escolha do tipo de material e a otimização do dimensionamento são questões que também devem ser abordadas, assim como a definição dos diversos acessórios necessários ao bom funcionamento da adutora e os desenhos com as soluções construtivas.
4.2 - Escolha do traçado Para a definição do traçado da adutora optou-se preferencialmente pela utilização da rede viária existente. Tal permite que a adutora fique a pouca distância de malhas urbanas futuras ou já existentes sendo depois mais fácil a construção de uma rede de distribuição de água nestas. Para a escolha do traçado mais curto recorreu-se ao software Google Earth que permite a escolha do caminho mais curto. Este ponto é importante, pois como já foi referido o custo de investimento da adutora é elevado, assim é de interesse uma redução do comprimento total da adutora que acarreta portanto um custo de investimento menor.
45
Figura 11 – Traçado em planta da adutora gravítica
O anexo 3 contém uma descrição mais detalha do traçado da adutora. Depois de definido o traçado da adutora foi elaborado o perfil transversal do terreno do traçado da adutora, para tal recorrendo ao mais uma vez ao software Google Earth, foram definidos pontos sobre o traçado em planta da adutora, através da mediação das distancias entre os pontos e da cota em cada ponto foi elaborado um gráfico do Excel que nos permite perceber o perfil longitudinal do terreno. No anexo 4 encontra-se a tabela com os ponto utilizados para a realização do gráfico assim com uma imagem do retirada do Google Earth com os pontos marcados sobre o traçado em planta da adutora gravítica. Da análise do gráfico presente no Gráfico 3 importa referir a existência de pontos altos intermédios que vão condicionar o dimensionamento da adutora gravítica. Tabela XX – Pontos importantes para o dimensionamento da adutora
Ponto 1 Distancia O. Cota 0m 270 m
Ponto 2 Distancia O. Cota 7799 m 177 m
Ponto 3 Distancia O. Cota 9095 m 155 m
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Perfil Adutora Gravítica 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
Perfil Adutora Gravítica
Gráfico 3 – Traçado longitudinal da adutora gravítica
4.3. - Elementos de Conceção e Dimensionamento A adutora gravítica será executada em tubos de Polietileno de Alta Densidade (PEAD) PE/MRS100 PN10 compostos por varas de 12m de comprimento cujos respetivos diâmetros comerciais e os preços por metro se encontram na seguinte tabela: Diâmetro Preço/m Diâmetro Preço/m Diâmetro Preço/m
Tabela XXI – Diâmetros comerciais (mm) / Preço por metro (€) 32 40 50 63 75 90 110 125 0,53 0,81 1,25 1,99 2,81 4,04 6,00 7,78 160 180 200 225 250 280 315 355 12,77 16,16 19,91 26,16 32,19 40,31 51,04 64,96 450 500 560 630 710 800 900 1000 111,29 137,02 172,05 217,31 298,82 378,55 479,05 592,95
140 9,77 400 82,07 1200 --
A principal diferença entre a utilização de tubos em PEAD e a utilização de tubos em outros materiais como o FFD e o PVC, reside na muito baixa rugosidade que estes apresentam. Os tubos de PEAD possuem uma superfície extremamente lisa. Apresentam alta resistência à corrosão, incrustações e proliferação de bactérias. Estas características permitem a utilização de diâmetros menores, o que se reflete em menores custos de investimento já que diâmetros menores apresentam um menor custo por metro. Além disso, mantém estas características de fluxo durante toda sua vida útil. A adutora gravítica deverá ser capaz de transportar em boas condições técnicas as solicitação calculadas para o projeto que no caso concreto deste trabalho serão 10000m3/dia para o ano horizonte de projeto (40anos), 9500m 3/dia para o ano intermédio de projeto (20anos), 8000m 3/dia para o ano de arranque do projeto (0anos), Utilizando um fator de ponta diário de 1,5 o caudal de projeto para a adutora é dado pela seguinte fórmula: 47
Substituindo vem, Para o ano 0
Para o ano 20
Para o ano 40
4.4. - Calculo Hidráulico
Efetuando um pré dimensionamento pela velocidade, utilizando a equação:
onde, Q – Caudal V – Velocidade do escoamento S – Secção Substituindo a secção por
fica,
Para pré dimensionar pela velocidade mínima vai substituir-se a velocidade pelo valor mínimo permitido pelo Decreto Regulamentar nº23/95 que é de 0,3 m/s, fica então,
Resolvendo a equação anterior com o caudal de projeto do ano 0 vamos obter o diâmetro máximo possível para a adutora, que fica:
O pré dimensionamento pela velocidade máxima, resolvendo agora a mesma equação com o caudal de projeto do ano 40 e substituindo a velocidade pela expressão de velocidade máxima presente no pelo Decreto Regulamentar nº23/95 m/s, de notar que o D na expressão anterior se encontra em mm, para a expressão continuar correta e como o D vai ser calculado em metros ter-se-á de multiplicar por 1000 para o passar para milímetros. Efetuando então o calculo determina-se o diâmetro mínimo possível para a adutora, que fica:
48
Do pré-dimensionamento resultou um intervalo de diâmetros compreendido entre 0,398m e 0,544m, que em termos de diâmetros comerciais para os tubos escolhidos se traduz na possibilidade de utilização dos diâmetros 400mm, 450mm, 500mm. Ao analisar o perfil longitudinal da adutora, presente na figura 3, verificou-se a existência de pontos altos intermédios que vão condicionar o dimensionamento da adutora gravítica. Dos pontos da tabela 1 define-se que trecho 1 desenvolve-se entre o ponto 1 e 2, o trecho 2 desenvolve-se entre o ponto 2 e 3. Numa primeira abordagem a este problema de cálculo da adutora gravítica pensou-se em traçar uma linha piezométrica com início no ponto inicial até ao ponto de cota intermédio mais elevado que tinha uma cota de 177m á qual eram acrescidos mais 5 m.c.a. de pressão mínima regulamentar o que fazia a linha piezométrica ficar com uma cota de 182m nesse ponto. Tratar-se-ia portanto de uma linha reta desde a cota 270 até á cota 182 e a partir daí a linha piezométrica iria até ao ponto final com cota de 160m - 155m de cota do terreno mais 5m de altura dos reservatórios de regularização de distribuição. Esta linha piezométrica encontra-se assinalada na figura 4 com a cor vermelha. 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
Gráfico 4 – Traçado longitudinal da adutora gravítica com as piezométricas base e a real
Efetuando então os cálculos com base na linha piezométrica de cor vermelha a perda de carga máxima para cada trecho da adutora pode ser calculada recorrendo á equação de Bernoulli,
49
onde, é a cota do ponto, é a pressão no ponto em m.c.a., é parcela relativa a velocidade do escoamento que no caso concreto vai ser desprezada e são as perda de carga. Para o trecho 1 fica:
Para o trecho 2 fica:
O cálculo das condições de escoamento dos trechos da adutora é realizado recorrendo às equações de Darcy-Weisbach para o cálculo das perdas de carga e à fórmula de Colebrook-White para calcular o fator de resistência. A fórmula de Darcy-Weisbach vem,
∑ √ √ [ ] √
onde, é a perda de carga total (m.c.a.); é o factor de resistência de Colebrook; é o comprimento da conduta (m); é o diâmetro da conduta (m); é o caudal (m 3/s); é a aceleração da gravidade (m/s 2); é o somatório dos coeficientes de carga localizadas que no caso do nosso trabalho se considerou 20% das perdas de carga continuas, por se achar que é um valor representativo da realidade A fórmula de Colebrook-White é dada pela seguinte expressão,
que quando simplificada fica,
onde, é o factor de resistência de Colebrook; é o diâmetro da conduta (m); é o número de Reynolds e é a rugosidade dos tubos de PEAD (m) que toma o valor de 0,00005 para condutas superiores a 200mm, este valor foi obtido através da consulta de catálogos de fabricantes de tubos PEAD Para o trecho 1 a verificação das condições de escoamento para os diâmetros comerciais viáveis fez-se com recurso ao software Excel, em que programou as células para ser mais fácil a repetição dos cálculos. De seguida apresenta-se uma tabela com os resultados obtidos para o trecho 1. 50
Tabela XXII – Cálculo hidráulico para o trecho 1 Diametro Caudal 0 Caudal 40 Velocidade V. Minima (mm) (m^3/s) (m^3/s) (m/s) (m/s) 400 0,139 0,174 1,384648 1,1061269 450 0,139 0,174 1,09404287 0,8739768 500 0,139 0,174 0,88617472 0,7079212 Comprimento do trecho (m)
V. Maxima (m/s) 1,3951719 1,4624759 1,525428
Reynolds 481616,7 428103,7 385293,4
Hf (m) (m) 0,00005 0,014762 0,014762 33,74977 0,00005 0,014822 0,014822 18,80607 0,00005 0,01491 0,014909 11,17001 7799 ε
λ
λ
incial
Para o trecho 2, procedeu-se de igual forma, apresentam-se de seguida o quadro com os cálculos: Tabela XXIII – Cálculo hidráulico para o trecho 2 Diametro Caudal 0 Caudal 40 Vel ocidade V. Minima (mm) (m^3/s) (m^3/s) (m/s) (m/s) 400 0,139 0,174 1,384648 1,1061269 450 0,139 0,174 1,09404287 0,8739768 500 0,139 0,174 0,88617472 0,7079212 Comprimento do trecho (m)
V. Maxima ( m/s) 1,3951719 1,4624759 1,525428
Reynolds 481616,7 428103,7 385293,4
ε λ λ incial Hf (m) (m) 0,00005 0,014762 0,014762 5,608374 0,00005 0,014822 0,014822 3,125101 0,00005 0,01491 0,014909 1,856177 1296
Analisando agora os resultados trecho a trecho advém que para o trecho 1 a perda de carga máxima é de 88m e a perda de carga calculada com um tubo de diâmetro 400mm é de 33,75m, ou seja pode-se executar o trecho 1 da adutora com tubo de diâmetro 400mm. De referir aliás que a perda de carga é somente de 33,75m quando poderia ir até ao valor de 88m o que permite refletir sobre a possibilidade de utilização de um diâmetro ainda mais pequeno. Infelizmente se tal fosse feito não se iria estar a cumprir a velocidade máxima regulamentar o que poderia levar a um desgaste excessivo da adutora. A perda de carga máxima para o trecho 2 é de 22m e a perda de carga calculada com um tubo de diâmetro 400mm é de 5,61m, ou seja podes executar o trecho 2 da adutora com tubo de diâmetro 400mm, até se poderia pensar na possibilidade de utilização de um diâmetro ainda mais pequeno infelizmente se tal fosse feito não se iria estar a cumprir a velocidade máxima regulamentar o que poderia levar a um desgaste excessivo da adutora. Subtraindo os 33,75m, mais os 5,61m de perda de carga a cota piezométrica estará na cota 230,64m. Para que se possa garantir que no ponto 3 a cota da piezométrica é de 160m deverá ser instalada imediatamente antes do ponto 3, uma perda de carga localizada através da introdução de uma válvula redutora de pressão que introduza uma perda de carga localizada de 70,64 m.c.a.
4.5. - Análise técnico-económica A análise técnico-económica de uma adutora pode permitir a redução do custo de investimento da adutora, já que em certas situações a perda de carga calculada para diâmetros menores apresenta valores maiores do que os da perda de carga máxima admissível, contudo é com é do conhecimento geral diâmetros menores apresentam menores custo de investimento, então se utilizar uma junção de dois ou mais diâmetros para a construção da conduta de forma a igualar a perda de carga calculada á perda de carga máxima admissível vamos obter um custo de investimento menor do que se realiza-se a conduta com um único diâmetro maior. 51
Contudo no decorrer do presente trabalho prático as perdas de carga calculadas para os diâmetros admissíveis foram sempre inferiores às perdas de carga máximas admissíveis permitindo sempre realizar a conduta sempre com o menor diâmetros. Por estas razões aqui apresentadas não foi necessário proceder a uma análise técnico económica para a conduta adutora gravítica
4.6. - Disposições construtivas No capítulo relativo às disposições construtivas vão ser abordadas questões como o assentamento das condutas, a instalação de órgãos de manobra os cortes e alçados relativos à construção da adutora gravítica. As valas para o assentamento da adutora gravítica deverão ter a configuração da figura 22
Figura 22 – Perfil transversal da vala de adução gravítica
Como é visível através da figura a vala para o assentamento da conduta deverá ter a largura do diâmetro da conduta mais 0,25m para cada um dos lados da conduta, as paredes da conduta deverão ser verticais e em termos altimétricos a vala deverá ter 1,1m mais o diâmetro da conduta. A instalação da conduta deverá ser precedida da colocação de 0,1m, de areia fina ou terra peneirada, não contendo quaisquer tipo de pedras ou outros objectos que possam danificar a conduta. Depois de colocada a conduta deverá proceder-se ou enchimento da vala com o mesmo material até 0,2m acima da geratriz da conduta. Sendo os últimos 0,8m da vala preenchidos com o material retirado durante a escavação. Na zona onde se verifique mudanças de direcção significativas a conduta deverá ser amarrada através de maciços de ancoragem com se mostra nas figuras que se seguem.
52
Figura 23 – Planta do maciço de ancoragem
Figura 24 – Planta do maciço de ancoragem
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A união das varas de 12m do tubo PEAD será realizado com o processo de soldadura topo a topo. Este sistema consiste na interligação do topo dos tubos após aquecimento (2200°C) e compressão que lhe são aplicados através de máquinas apropriadas. Arrefecidos os topos, verifica-se uma completa interpenetração dos mesmos o que confere aos tubos características como se de um único tubo se tratasse. Esta técnica é a mais usual tanto em abastecimento de água como em saneamento. Há no entanto que utilizar, como medida de segurança, materiais da mesma densidade neste tipo de união.
Figura 25 – Soldadura topo a topo
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Figura 26 – Realização de uma soldadura topo a topo
Os órgãos de manobra indispensáveis ao bom funcionamento da adutora são as válvulas de seccionamento, as válvulas redutoras de pressão, as ventosas, as descarregas de fundo e os medidores de caudal. As válvulas de seccionamento têm por finalidade permitir a interrupção do escoamento, aquando uma possível alteração ou reparação de troços existentes. Instalar-se-á válvulas à saída do reservatório de regularização de bombagem e a cada dois quilómetros de adutora. As válvulas de seccionamento tipo consideradas são em Ferro fundido dúctil e do tipo borboleta e vão ser instaladas a cada dois quilómetros na adutora.
Figura 27 – Válvula de seccionamento do tipo borboleta.
A válvula redutora de pressão permite introduzir uma perda de carga localizada na adutora, para o efeito e no nosso caso deverá ser instalada uma válvula deste tipo imediatamente antes do reservatório de regularização de distribuição, que deverá introduzir uma perda de carga localizada de 70,64m.c.a.
Figura 28 – Válvula de redutora de pressão.
As ventosas são dispositivos que serão colocados nos pontos elevados da adutora e permitem a expulsão de ar controlada para evitar sobrepressão, que normalmente se acumula nestes pontos. Tendo em conta o perfil longitudinal realizado para a conduta adutora gravítica deverão ser colocadas ventosas aos 677m, 1159m, 2455m, 5262m, 6117m, 6336m, e aos 7799m As descargas de fundo têm como objectivo de permitir esvaziar completamente a conduta, e a remoção de finos que tem tendência para se acumular nos pontos baixos. 55
Deverão ser instaladas descargas de fundo sempre que exista uma depressão no perfil longitudinal da conduta. Isto é devem ser instaladas descargas de fundo aos 574m, 933, 2016, 4330, 5620, 6607 e 7057m. Os medidores de caudal tem como função medir a quantidade de água que saia e que entra nos reservatórios, desta forma deverá então ser colocado um medidor de caudal no início da adutora, junto ao reservatório de regularização de bombagem e um segundo junto a entrada do reservatório de regularização de distribuição.
4.7. - Estimativa de Custo Pretende-se agora estimar o custo de investimento da adutora gravítica. Este custo depende directamente do diâmetro do tubo a utilizar e do seu custo, assim como do custo da realização do movimento de terras necessário á implantação da conduta. O custo da tubagem pode ser obtido junto do seu fabricante, no caso da adutora gravítica que será realizada em tubo de PEAD de 400mm, o seu custo por metro é 82,07 €.
O custo de investimento da adutora, engloba para além do custo da tubagem, calculado anteriormente, o custo do seu processo construtivo. Uma vez que se pretende definir o custo de construção das adutoras é necessário caracterizar o tipo de solo e respectivos coeficientes de empolamento e o perfil transversal-tipo a considerar, para que seja possível calcular as quantidades de trabalho relacionadas com o movimento de terras. Segundo o Regulamento Português a altura da vala é dada por h = 1,1 + D, e a largura da vala, uma vez que se dimensionou o Diâmetro de 400 mm, deve ser dada por: l = (0,5 + D). Assim, o perfil transversal-tipo é dado pela figura seguinte:
Figura 29 – Perfil tipo da vala.
Considerando que 80% dos solos são em terra compacta e o restante em rocha, definir-se-á como coeficientes de empolamento da terra e da rocha de 1,15 e 1,3, respectivamente. Ou seja: p terra=80% ; procha = 20% ; ceterra = 1,15 e ce rocha = 1,3 . 56
Apresentando pela figura 5 o perfil transversal-tipo, e tendo conhecimento do diâmetro a utilizar – 400mm (Dexterior de 450 mm27), é possível o cálculo de grandezas necessárias para o estudo de movimento de terras. Assim, deduz-se que:
Volume a transportar a vazadouro público:
Tabela XXIV – Quantidades de trabalho calculadas para a construção da adutoras em PEAD. Diâmetro Diâmetro Levantamento Volume Volume Volume Volume Volume a nominal exterior e reposição de de de de aterro de transportar (mm) (mm) pavimento escavação escavação cirandado aterro (m3/m) (m2) de Terra de rocha (m3/m) simples (m3/m) (m3/m) (m3/m) 400 450 0,31 1,178 0,2945 0,553 0,76 0,42455
Uma vez calculadas as quantidades de trabalho – Tabela XXIV, importa fazer uma colecta de custos associados a cada uma das tarefas. A selecção dos custos referidos teve em conta o Quadro 2 da referência bibliográfica [5] e encontram-se transcritos na Tabela XXV para o diâmetro nominal em estudo. Tabela XXV – Preços unitários médios do movimento de terras. Tipo de trabalho Volume de escavação terra compacta Volume de escavação em rocha Volume cirandado Volume de aterro simples Volume a transportar Acessórios e diversos
Custo €
3,99 17,46 3,74 3,49 1,25 10% custo da tubagem de PEAD
Os custos a calcular, relativos aos trabalhos da Tabela XXIV são calculados, para numa fase final se obter o custo de investimento total da construção da adutora (CIA). Assim: 27
Considera-se uma espessura do tubo de 2,5cm.
57
-Custo do Volume de escavação da Terra = 3,99 (€/m3) × 1,178 m 3 = 4,7€ -Custo do Volume de escavação de Rocha = 17,46 (€/m3) × 0,2945 m 3 = 5,147€ -Custo do Volume de aterro cirandado = 3,74 (€/m3) × 0,553 m 3 = 2,07 € -Custo do Volume de aterro simples = 3,49 (€/m3) × 0,76 m3 = 2,65€ -Custo de Acessórios e diversos = 10% do custo da tubagem de PEAD = 0,1×82,07 = 8,21 € -Custo do volume a transportar = 1,25 € × 0,42455= 0,53 € Uma vez calculados, os custos podem ser sintetizados numa tabela e obtido o seu valor total parcial – Tabela XXVI. Tabela XXVI – Custos parciais para a construção de adutora em FFD. Diâmetr o nominal (mm)
Volume de escavaçã o de Terra (€)
Volume de escavaçã o de Rocha
Volume cirandad
Volume de aterro
Volume transport
o (€)
(€)
ar (€)
Acessóri os e diversos
Tubage m PEAD
Total Parcial
(€)
(€)
82,07
104,44
(€)
(€)
400
4,7
5,147
2,07
2,65
0,53
8,21
Assumindo preços unitários para as quantidades de trabalho, o custo total da adutora é definido, tal como referido em [5] – equação 15, por: CIA pueT pT pueR p R
ceeT pT ceeR p R puT V e puc puT V c pua puT V a 1 pacc putub pu LRP Lv 2 0,30 D
em que: pueT – Preço unitário da escavação em terra; pT – Percentagem de terra; pueR – Preço unitário da escavação em rocha; pR – Percentagem de rocha; ceeT – Coeficiente de empolamento da terra; ceeR – Coeficiente de empolamento da rocha; puT – Preço unitário do transporte a vazadouro autorizado; Ve – Volume de escavação; Vc – Volume de aterro cirandado; puc – Preço unitário do volume cirandado ou terras de empréstimo; Va – Volume de aterro simples; pua – Preço unitário do aterro simples; pacc – Custo de acessórios e trabalhos diversos em percentagem do custo da conduta; putub – Custo da conduta puLRP – Preço unitário do levantamento e reposição de pavimentos.
Pela equação anterior, todos os parâmetros são identificáveis, com exceção do preço unitário do levantamento e reposição de terras. Assim, e tendo em conta a referência bibliográfica, a Tabela XXVII define para o diâmetro em causa e para diferentes tipos de pavimentos, o custo associado ao levantamento e reposição. Tabela XXVII – Custos parciais para a construção de adutora em PEAD. Diâmetro Lev. e Rep. Lev. e Rep. Lev. e Rep. m Pavimento Pavimento Pavimento semi-penet. tapete cubos betuminoso 0,500 16,54 14,93 34,70 58
Substituindo os Volumes da formula do custo – já calculados anteriormente, obtém-se que:
Multiplicando agora o custo por metro da adutora pelo comprimento total da adutora tem-se o custo total de investimento da adutora.
5. - RESERVATÓRIOS REGULARIZAÇÃO DE DISTRIBUIÇÃO 5.1. – Introdução Os reservatórios de regularização de distribuição, tem como principal propósito, o armazenamento da variação do consumo de água por parte da população durante um dia de consumo, acrescendo ainda a capacidade de fazer face a uma emergência como uma avaria ou um incêndio. O consumo de água por parte da população ao longo do dia, não se apresenta constante, mas sim apresenta picos de consumo, por volta das 7 horas da manhã, no final da manhã perto das 11 horas da manhã e ao final da tarde, durante estes picos o consumo de água por parte da população tende a ser maior do que o caudal debitado pela adutora no reservatório, tendo que existir uma reserva de água que responda estas solicitações. Entre os picos o consumo tende a ser menor que que o caudal aduzido ao reservatório, contribuindo ainda para criar uma reserva que será utilizada durante a próxima ponta.
5.2. – Local de implantação O local de implantação do reservatório de regularização de distribuição é o definido no guia do trabalho prático. Situa-se na freguesia de Ponte Concelho de Guimarães.
59
Figura 30 – Local de Construção dos Reservatórios.
5.3. – Elementos de Concepção e dimensionamento Para o dimensionamento do reservatório de regularização de distribuição, importa primeiro conhecer o caudal aduzido ao reservatório e o caudal de distribuição que sai do reservatório. O caudal aduzido ao reservatório de regularização de distribuição é igual ao caudal distribuído para o dia de maior consumo. Sabendo que o rácio horário do dia de maior consumo entre o caudal distribuído e o caudal aduzido é o representado na tabela XXVIII Tabela XXVIII- Evolução horaria do rácio do caudal distribuído pelo caudal aduzido
Hora 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8
Qd/Qa 0,43 0,25 0,22 0,16 0,18 0,17 0,19 0,9
Hora 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16
Qd/Qa 1,3 1,44 1,52 1,56 1,5 1,19 1,1 1,11
Hora 16-17 17-18 18-19 19-20 20-21 21-22 22-23 23-24
Qd/Qa 1,1 1,16 1,28 1,33 1,38 1,09 0,93 0,57
Importa ainda referir que a zona de distribuição se trata de uma zona urbana com um risco de incêndio de grau 2. O tempo máximo de reparação da adutora gravítica são 5 horas.
5.4. – Cálculo Hidráulico 60
Para podermos calcular a capacidade do reservatório, importa utilizar os intervalos horários em que o rácio entre o caudal distribuído e o caudal aduzido é superior á unidade, já que nos intervalos em que é inferior não é necessário qualquer pedido ao reservatório podendo este acumular para ceder nos intervalos seguintes onde o rácio é superior a 1. Das 8 às 22 horas o rácio é superior à unidade então a capacidade do reservatório é dada por:
A capacidade de emergência contra incêndio é de 125 m 3, de acordo com o artigo 70 do Regulamento, para uma zona urbana de grau 2, com construções isoladas com um máximo de quatro pisos acima do solo. Já para a capacidade de emergência em caso de avaria da adutora gravítica, a capacidade é dada pelo caudal aduzido multiplicado pelo tempo estimado para reparação da conduta. Para o ano 20 fica:
Para o ano 40 fica:
Como a capacidade de emergência para uma avaria é muito superior á capacidade de emergência para o incêndio, no calculo da capacidade total do reservatório só entra a emergência em caso de avaria.
Para o ano 20, o
Para o ano 40, o
Dado que a diferença entre o ano 20 e o 40 é pequena optou-se por construir de uma só vez as células necessárias para o reservatório ao longo de todo o horizonte de projecto. Assumindo que o reservatório terá 5m de altura e quatro células o diâmetro é dado por:
então fica:
61
5.5. – Estimativa de Custos O custo de construção do reservatório envolve a análise de várias variáveis, como o tipo de material a utilizar, área de terreno a atuar – escavação e aterro, tipo de cobertura, mão-de-obra entre outros, o grupo optou por utilizar uma fórmula empírica. A fórmula para a estimar o custo de investimento do reservatório é a definida por Lencastre (1995), e justifica-se a sua utilização devido à dificuldade presente em quantificar todos os custos referentes às variáveis de projeto condicionantes do custo. Assim, o custo do investimento de um reservatório segundo Lencastre (1995) é dada por: CIR = 243,5.Cap0,803 Em que Cap - capacidade do reservatório (m 3) e CIR (em €). Seja para o reservatório dimensionado Cap =
m3, então CIR vem que:
5.6. – Disposições Construtivas Pelo dimensionamento, o reservatório de regularização de distribuição apresenta quatro células, todas com um diâmetro igual a 49,56 metros. É um reservatório de grandes dimensões e será do tipo térreo, apoiado à superfície. O material escolhido para construção do reservatório é o betão armado, que garante a redução dos volumes dos materiais a transportar para o local de trabalho, comparativamente com as soluções em alvenaria, e porque garante a estanquidade. A altura, como dimensionada, de cada célula do reservatório é de 5 metros. Relativamente à superfície interior das células serão realizadas, como usualmente, com o tradicional reboco com argamassa rica em cimento e com aditivo hidrófugo. Na cobertura, utilizar-se-á uma laje de betão, que diminui a dificuldade de execução das cofragens, com uma inclinação de 2% para assegurar o escoamento de águas pluviais [7]. De referir ainda a instalação de uma descarga de fundo em cada célula, para o respectivo esvaziamento e para a drenagem de águas de lavagem. É necessário ter em conta alguns aspetos preconizados, sejam por exemplo: -segundo a NP-839, a soleira deve ter um declive não inferior a 1% para a descarga de fundo; -segundo a NP-839, o ralo da tubagem de saída das células do reservatório devese situar a 15cm a 20cm acima da base de uma caldeira executada na soleira do reservatório.
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Figura 31 – Reservatórios regularização de distribuição
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6. – CUSTOS TOTAIS DO PROJECTO O custo total do projecto será a soma de: Empreitada Captação Adutora elevatória Reservatório de regularização de bombagem Adutora gravítica Reservatório de regularização de distribuição VACE
Custo (€) 69609,64 545000,00 178122,80 1013128,43 1173002,22 5391985,00
O custo total de investimento do projecto será de 2978863,09€, e o respectivo custo de exploração com energia eléctrica representa um total de 5391985,00 €.
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7. - CONCLUSÃO Observa-se, que de facto um projeto deste tipo, apesar de apresentar uma extensão de aproximadamente 11,5 km, apresenta um custo bastante considerável. Assim, é contundente uma análise econômica baseada na otimização deste, ou seja, a congregação de alternativas que do ponto de vista funcional assegurem o comportamento desejado e que se distingam do ponto de vista económico. De facto, em sistemas reais dever-se-ia ainda assegurar também o estudo da qualidade da água ao longo do sistema, através de modelos de otimização, para concluir se os pontos de inserção de cloro são os necessários. Para além disto, é também necessário colocar sistemas para recolha de informação sobre os parâmetros do escoamento, como o nível dos reservatórios e o caudal escoado, para garantir uma vigilância e estudo sobre os sistemas em tempo real. Apesar do referido, no projeto em causa, o grupo considerou, apesar de ter em conta possíveis alternativas, o dimensionamento de apenas uma proposta – com exceção do funcionamento da estação elevatória.
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BIBLIOGRAFIA [1]
Doutor Júlio Ferreira da Silva - Estudos de Engenharia Hidráulica Aplicada aos sistemas urbanos, Universidade do Minho;
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Regulamento Geral dos Sistemas Públicos e Prediais de Distribuição de Água e de Drenagem de Águas Residuais;
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Doutor Júlio Ferreira da Silva - Estudo de Engenharia Hidráulica Urbana;
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Quintela, António de Carvalho – Hidráulica ; Fundação Calouste Gulbenkian – 11ª edição.
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GRUNDFOS DATA BOOKLET – HS European range - Horizontal split-case pumps 50 Hz;
[9]
Júlio F. FERREIRA DA SILVA; Sofia M. P. Bragança Salgado - UTILIZAÇÃO
DE MODELOS DE SIMULAÇÃO HIDRÁULICA EM PLANOS DE VIGILÂNCIA E DE CONTROLO DA QUALIDADE DA ÁGUA PARA CONSUMO HUMANO
WEBGRAFIA [4]
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http://net.grundfos.com/Appl/WebCAPS/InitCtrl?mode=18
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ANEXOS Anexo 1 – Sequência de passos, segundo [6] para obtenção da electrobomba a adotar no sistema adutor elevatório.
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