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NBR 11213 Grade de tomada d’água para instalação hidráulica - Cálculo JAN 200 2001 1
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Origem: Projeto NBR 11213:2000 ABNT/CB-04 ABNT/CB-04 - Comitê Brasileiro Brasileiro de Máquinas e Equipamentos Equipamentos Mecânicos CE-04:007. CE-04:007.03 03 - Comissão de Estudo de Grades e Comportas NBR 11213 - Intake trashrack - Hydraulic installation - Requirement for calculation - Procedure Descriptors: Hydraulic installation. Trashrack Esta Norma substitui a NBR 11213:1990 Válida a partir de 28.02.2001 Palavra vras-chave: ve: Instalação hidráulica. Grade
6 pági págin nas
Prefácio A ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas - é o Fórum Nacional de Normalização. As Normas Brasileiras, cujo conteú conteúdo do é de resp respons onsabi abilida lidade de dos dos Comitês Comitês Brasile Brasileiros iros (ABNT (ABNT/CB /CB)) e dos dos Organi Organismos smos de Normaliz Normalizaç ação ão Setori Setorial al (ABNT/ONS), são elaboradas por Comissões de Estudo (CE), formadas por representantes dos setores envolvidos, delas fazendo parte: produtores, consumidores e neutros (universidades, laboratórios e outros). Os Projetos de Norma Brasileira, elaborados no âmbito dos ABNT/CB e ABNT/ONS, circulam para Consulta Pública entre os associados da ABNT e demais interessados.
1 Objetivo Esta Norma fixa as condições exigíveis para o cálculo de grades metálicas utilizadas em instalações hidráulicas, tais como usinas hidrelétricas, termelétricas, estações de bombeamento, etc.
2 Referências normativas As normas relacionadas a seguir contêm disposições que, ao serem citadas neste texto, constituem prescrições para esta Norma. As edições indicadas estavam em vigor no momento desta publicação. Como toda norma está sujeita a revisão, recomenda-se àqueles que realizam acordos com base nesta que verifiquem a conveniência de se usarem as edições mais recentes das normas citadas a seguir. A ABNT possui a informação das normas em vigor em um dado momento. NBR 7880:2001 - Grade de tomada d’água para instalação hidráulica - Terminologia NBR 8883:1996 - Cálculos de comportas hidráulicas - Procedimento
3 Definições Para os efeitos desta Norma, aplicam-se as definições da NBR 7880.
4 Cargas 4.1 Ações a considerar Devem ser consideradas as seguintes ações: a) carga de entupimento; b) massa; c) impacto de corpos; d) empuxo; empuxo;
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e) atrito dos apoios; f) força de acionamento; g) impacto e pressão de gelo, quando aplicável; h) carga devido ao dispositivo de limpeza das grades, quando aplicável.
4.2 Determinação das cargas 4.2.1 Carga de entupimento 4.2.1.1 Carga de projeto equivalente a uma carga hidrostática uniformemente distribuída sobre a grade, quando parcialmente obstruída. 4.2.1.2 Na ausência de valores específicos, deve ser adotada carga de projeto de 30 kPa. 4.2.1.3 A menos em casos particulares, a massa específica da água deve ser considerada igual a 1 000 kg/m 3 doce e 1 020 kg/m para água do mar.
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para água
4.2.2 Massa 4.2.2.1 A massa da grade é constituída de: a) parte estrutural; b) proteção anticorrosiva; c) corpos estranhos eventualmente retidos na estrutura da grade.
4.2.2.2 Para consideração da massa da proteção anticorrosiva e de corpos estranhos, a massa da parte estrutural deve ser multiplicada por 1,05, caso condições mais desfavoráveis não sejam previstas. 4.2.2.3 As alíneas b) e c) de 4.2.2.1 devem ser consideradas somente quando atuarem desfavoravelmente. 4.2.2.4 Para o cálculo da massa podem ser adotados os seguintes valores de massa específica: a) aço: 7,85 kg/dm³; b) bronze: 8,80 kg/dm³; c) alumínio: 2,70 kg/dm³.
4.2.3 Impacto de corpos 4.2.3.1 O impacto de corpos flutuantes ou imersos contra as barras das grades deve ser considerado em função das condições locais. A força de impacto (F ) pode ser calculada pela equação a seguir, admitindo-se que a barra sob impacto sofra uma deformação elástica: F =
m ⋅ v t
onde: F é a força de impacto; m é a massa do corpo flutuante; v é a velocidade de aproximação do fluxo, calculada em função da vazão de projeto e da área de passagem do fluxo imediatamente anterior à grade; t
é o tempo de desaceleração do corpo.
4.2.3.2 Na ausência de dados específicos, podem ser adotados os seguintes valores: a) massa do corpo flutuante: 1 000 kg; b) tempo de desaceleração do corpo: 0,1 s; c) área de impacto: seção circular com 0,5 m de diâmetro.
4.2.4 Empuxo O empuxo deve ser considerado para todas as partes submersas da grade.
4.2.5 Atrito dos apoios As forças de atrito de deslizamento devem ser calculadas com base na NBR 8883.
4.2.6 Forças de acionamento A influência dos esforços de manobra sobre os elementos estruturais deve ser considerada no dimensionamento da grade.
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4.2.7 Impacto e pressão de gelo A influência da pressão e do impacto de gelo deve ser considerada em função das condições locais.
4.3 Casos de carga Conforme a freqüência das cargas e a probalidade da sua simultaneidade, devem ser considerados os casos de carga descritos em 4.3.1 e 4.3.2.
4.3.1 Caso de carga normal Devem ser considerados neste caso os valores e combinações mais desfavoráveis da carga de entupimento, da massa, do empuxo, das forças de atrito e de acionamento.
4.3.2 Caso de carga ocasional 4.3.2.1 Devem ser consideradas neste caso as cargas que eventualmente apareçam, tais como: a) impacto de corpos; b) impacto de pressão de gelo; c) cargas assimétricas ou sobrecargas devidas aos esforços de manobra em conseqüência de eventuais travamentos da grade. O valor máximo da força de acionamento a ser considerado deve ser limitado a 125% do esforço de manobra calculado.
4.3.2.2 A combinação destas cargas entre si e com as de 4.3.1 só deve ser considerada quando for possível e provável. 5 Dimensionamento 5.1 Conteúdo das memórias de cálculo 5.1.1 A memória de cálculo deve ser clara e conter pelo menos os seguintes elementos: a) croqui da estrutura metálica com as dimensões necessárias ao cálculo e os respectivos carregamentos; b) materiais e suas características; c) tensões e deformações admissíveis e de trabalho; d) comprovação da estabilidade e verificação quanto a vibrações; e) cálculo da perda de carga; f) critérios de cálculo e fontes de consulta.
5.1.2 Os cálculos efetuados por processos computacionais devem ser acompanhados de uma descrição do método e/ou formulações empregadas, no que se refere à análise da estrutura dos dados de entrada e dos resultados. 5.2 Método de cálculo Os métodos de cálculo são opção do projetista e devem garantir uma análise completa e um dimensionamento seguro da estrutura.
5.3 Tensões admissíveis e deformações As tensões admissíveis e deformações devem ser consideradas conforme prescrito na NBR 8883.
5.4 Estabilidade Para aumentar a resistência das barras verticais quanto à flambagem lateral, recomenda-se que o comprimento não supotado lateralmente da barra seja limitado a 70 vezes sua espessura.
5.5 Espaçamento das barras verticais 5.5.1 O espaçamento das barras verticais é determinado em função da menor passagem de água no equipamento a ser protegido. 5.5.2 No caso de usinas hidrelétricas, o espaçamento das barras verticais é adotado em função do tipo de turbina hidráulica colocada à jusante da grade. Na ausência de dados específicos, pode ser adotado valor dentro da faixa de variação indicada na tabela 1. Tabela 1 - Espaçamento das barras verticais Turbina
Espaçamento
(Tipo)
mm
Pelton
25 a 50
Francis
60 a 150
Kaplan
100 a 150
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5.6 Vibrações 5.6.1 A fim de se evitarem fenômenos de ressonância, deve-se garantir que a freqüência fundamental de vibração das barras verticais seja pelo menos 1,5 vez à freqüência de formação dos vórtices na grade, considerando-a com uma obstrução de 25%, ou seja: f
≥ 1,5 fv
Esta relação deverá ser comprovada nas direções transversal e longitudinal ao fluxo.
5.6.2 Caso não seja feito um estudo mais detalhado, podem-se determinar a freqüência fundamental de vibração das barras verticais e a freqüência de formação dos vórtices conforme 5.6.2.1 e 5.6.2.2. 5.6.2.1 Freqüência fundamental da barra vertical: a) na direção transversal ao fluxo: f t ransv =
M ⋅ i transv 2
H
⋅
µ+
E b µ' s
b) na direção do fluxo: f long
=
M ⋅ i long 2
H
⋅
E
µ
onde: fv é a freqüência de formação dos vórtices; f transv é a freqüência fundamental de vibração da barra na direção transversal ao fluxo; f long é a freqüência fundamental de vibração da barra na direção longitudinal ao fluxo; i transv é o raio de giração da seção reta da barra em relação ao eixo paralelo à direção do fluxo; i long é o raio de giração da seção reta da barra em relação ao eixo perpendicular à direção do fluxo; H é o comprimento não suportado das barras; E é o módulo de elasticidade do material da barra vertical;
µ
é a massa específica do material da barra vertical;
µ’
é a massa específica do fluido;
s é a espessura da barra vertical (ver figura 1); h é o comprimento da seção transversal da barra vertical (ver figura 1); b é o espaçamento entra barras verticais (ver figura 1) Quando b
≥ 0,7.h, adota-se b = 0,7.h;
M é o fator de fixação das barras verticais: a) para as barras engastadas, conforme a figura 2: M =
11,20
π
b) para as barras semi-engastadas, conforme a figura 3: M = 2,568
c) para as barras articuladas, conforme a figura 4: M =
π 2
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Figura 1 - Seção transversal das barras verticais
Figura 2 - Seção transversal das barras verticais engastadas
Figura 3 - Seção transversal das barras verticais semi-engastadas
Figura 4 - Seção transversal das barras verticais articuladas 5.6.2.2 Freqüência de formação dos vórtices: a) na direção transversal ao fluxo: fv transv
=
ST ⋅ v s
b) na direção do fluxo: fv long
= 2⋅
ST ⋅ v s
onde: v é a velocidade do fluxo considerando a área livre de passagem do fluxo na grade com 25% de obstrução; s é a espessura da barra vertical (ver figura 1); ST é o número de Strouhal , que é função da forma da seção da barra e da concentração das barras ( b + s )/ s.
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Caso não haja estudos mais apurados, adota-se: a) para barras de perfil retangular isoladas: para 1,0 < h/s ≤ 2,8;
ST = 0,155
ST = 0,120 + 0,012.h/s para 2,8 < h/s ≤ 10,0; ST = 0,240
para outros valores de h/s;
b) para barras quadradas isoladas: ST = 0,130; c) para barras redondas isoladas: ST = 0,200. Em função da concentração das barras, os valores do número de Strouhal (ST ) devem ser majorados, conforme mostrado na figura 5.
5.7 Perda de carga Deve ser verificada a perda de carga através das grades, usando a equação de Kirschmer : 4
s 3 v 2 ∆p = Kb ⋅ ⋅ cos α ⋅ b 2 ⋅ g onde: Kb é o coeficiente da barra a) para barras de seção retangular: Kb = 2,42; b) para barras de seção circular e bordas arredondadas: Kb = 1,67; c) para barras de seção circular: Kb = 1,79; s é a espessura da barra vertical (ver figura 1); b é o espaçamento entre barras verticais (ver figura 1); v é a velocidade do fluxo considerando a área livre de passagem do fluxo na grade com 25% de obstrução; g é a aceleração da gravidade;
α
é o ângulo de inclinação entre a grade e a li nha vertical.
Outras equações ou métodos poderão ser empregados, desde que aceitos pelo cliente e fornecedor.
5.8 Peças fixas As peças fixas das grades devem ser dimensionadas seguindo os critérios prescritos na NBR 8883.
Figura 5 - Coeficiente de majoração do número de Strouhal _________________
