Redes de Distribuição de Água Disciplina: Saneamento Prof. Carlos Eduardo F Mello e-mail:
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Conceito Rede de distribuição de água é a parte do sistema de abastecimento formada de tubulações e órgãos acessórios, destinados a colocar água potável à disposição dos consumidores, de forma contínua, em quantidade, qualidade e pressão adequadas (NBR 12218).
Conceito Rede de distribuição de água é a parte do sistema de abastecimento formada de tubulações e órgãos acessórios, destinados a colocar água potável à disposição dos consumidores, de forma contínua, em quantidade, qualidade e pressão adequadas (NBR 12218).
Introdução
É o componente de maior custo do sistema de abastecimento de água (50 a 75% do custo total)
As obras de captação, adução, tratamento e reservação possuem atenção ininterrupta
As redes de distribuição não estão sobre constante vigilância/obras enterradas
Deve-se dar atenção à qualidade da água e a perdas de água na rede de distribuição
Tipos de Rede Canalização Principal - canalização tronco ou mestra - possui maior diâmetro - abastece a canalização secundária
Secundária - tubulações de menor diâmetro - abastece diretamente os pontos de consumo
Classificação das redes Classificação de acordo com a disposição das canalizações principais e o sentido de escoamento nas tubulações secundárias
Ramificada
Malhada
Mista
Rede ramificada
Possui uma tubulação tronco alimentada por um reservatório ou estação elevatória
A distribuição da água é diretamente para os condutos secundários
É conhecido o sentido da vazão em qualquer trecho
Rede ramificada
Um acidente que interrompa o escoamento em uma tubulação compromete todo o abastecimento nas tubulações situadas a jusante
É recomendada somente em casos em que a topografia e os pontos a serem abastecidos não permitam o traçado como rede malhada
Rede ramificada Os nós são pontos de derivação de vazão e/ou mudanças de diâmetro
Esquema de uma rede ramificada
Rede ramificada Classificação As redes ramificadas podem ser classificadas de acordo com a disposição das tubulações principais em:
redes em espinha de peixe
redes em grelha
Rede ramificada Redes em Espinha de peixe
Condutos principais
Conduto principal central
Rede ramificada com traçado em espinha de peixe
Rede ramificada Redes em Grelha l a r t n e c l a p i c n i r p o t u d n o C
Condutos principais
Rede ramificada com traçado em grelha
Rede Malhada
Constituídas por tubulações principais que formam anéis ou blocos
Permite abastecer qualquer ponto do sistema por mais de um caminho
Flexibilidade em satisfazer a demanda e manutenção na rede com o mínimo de interrupção no fornecimento de água
Rede Malhada Rede malhada em anéis
Esquema de uma rede malhada com quatro anéis ou malhas
Rede Malhada Rede malhada em Blocos
Recomenda-se que as Ligações domiciliares sejam executadas unicamente na rede secundária
Esquema de uma rede malhada em blocos
Rede Malhada em Blocos Vantagens
Controle mais rigoroso de perda
Controle mais preciso da pressão
Minimização da área desabastecida (acidente ou manutenção)
Melhoria da eficiência na manutenção da rede
Rede Mista
Esquema de uma rede mista
Recomendações para o traçado de redes Redes principais As tubulações principais devem:
Formar circuitos fechados sempre que possível
Ser direcionadas às zonas de maior demanda
Ser localizadas em vias ou área públicas
Em ruas com tubulação principal com diâmetro superior a 300 mm, deve ser prevista uma tubulação secundária para receber as ligações prediais
Recomendações para o traçado de redes Redes secundárias As tubulações secundárias devem:
ser dispostas sob os passeios (sempre que possível)
ser dupla, uma tubulação para cada passeio, dependendo da largura da via, do tipo de pavimento e da intensidade do trânsito
ter comprimentos máximos de 600 m, sendo alimentadas pelas extremidades
Devem formar rede malhada, evitando ao máximo as extremidades mortas
Fornecimento de água para a rede Reservatório elevado, apoiado, semi-enterrado ou enterrado
Estação elevatória com o uso de bombas de rotação constante ou variável
Tanque hidropneumático
Fornecimento de água para a rede
Reservatório a montante da rede
Fornecimento de água para a rede
Reservatório a jusante da rede
Fornecimento de água para a rede
Alimentação da rede através do reservatório de montante e
Fornecimento de água para a rede
Alimentação direta na rede com reservatório de sobra
Fornecimento de água para a rede
Alimentação direta na rede com reservatório de compensação
Fornecimento de água para a rede
Alimentação direta na rede através de vários pontos
Fornecimento de água para a rede
Alimentação direta na rede com tanque hidropneumático
Fornecimento de água para a rede
Abastecimento de água de redes localizadas em setores distintos
Fornecimento de água para a rede
Setorização da rede de abastecimento
Fornecimento de água para a rede
Distribuição escalonada
Dimensionamento de Redes
Vazão para dimensionamento
Análise hidráulica
Pressões mínimas e máximas na rede
Velocidades mínimas e máximas
Diâmetro mínimo
Dimensionamento de Redes Vazão para dimensionamento
Vazão de distribuição
Q = K1xK2xPxq/86400 Q = vazão (ℓ/s) K1 = coeficiente do dia de maior consumo K2 = coeficiente da hora de maior consumo P = população final para a área a ser abastecida, hab. q = consumo per capita final de água, ℓ/hab.dia
Dimensionamento de Redes Vazão para dimensionamento
Vazão específica relativa à extensão da rede
Q = K1xK2xPxq/86400xL qm = vazão de distribuição em marcha (ℓ/s.m) L = extensão total da rede (m).
Dimensionamento de Redes Vazão para dimensionamento
Vazão específica relativa à área
Q = K1xK2xPxq/86400xA qd = vazão de distribuição (ℓ/s.ha) A = extensão total da rede (há)
Dimensionamento de Redes Análise hidráulica Conhecida a determinar:
vazão
de
As vazões nos trechos
Cotas piezométricas no nós
distribuição,
deve-se
Dimensionamento de Redes Análise hidráulica
normalmente as cargas cinéticas e as perdas de cargas localizadas são negligenciadas no cálculo da rede
as perdas de carga distribuída são calculadas pelas equações da fórmula Universal e de HazenWilliams
para a NBR 12218, a perda de carga deve ser feita preferencialmente pela fórmula Universal
Dimensionamento de Redes Pressões mínimas e máximas na rede Para o dimensionamento da rede são importantes a:
Pressão dinâmica mínima - para que a água alcance os reservatórios domiciliares Pressão estática máxima - resistência das tubulações - controle das perdas de água
Dimensionamento de Redes Pressões mínimas e máximas na rede Para a NBR 12218 Pressão estática máxima 500 kPa (50 mH 2O) Pressão dinâmica mínima 100 kPa(10 mH 2O)
Para atender os limites de pressão, a rede deve ser subdivida em zonas de pressão (alta, média e baixa), sendo que cada zona de pressão é abastecida por um reservatório de distribuição.
Dimensionamento de Redes Pressões mínimas e máximas na rede
Esquema de abastecimento de água para atender as diversas
Dimensionamento de Redes
Esquema de abastecimento de água para atender os limites de pressão na rede
Dimensionamento de Redes Velocidades mínimas e máximas Limitações de velocidades:
Segurança e durabilidade das tubulações
Custo de implantação e de operação
Dimensionamento de Redes Velocidades mínimas e máximas Baixas velocidades:
Favorecem a durabilidade (abrasão)
Facilitam o depósito de materiais existentes na água
Dimensionamento de Redes Velocidades mínimas e máximas Velocidades altas:
Diminuem o diâmetro da tubulação consequentemente o custo de aquisição assentamento da tubulação
e e
Causam aumento da perda de carga, aumentando os custos de energia elétrica nos bombeamentos
Dimensionamento de Redes Velocidades mínimas e máximas Velocidades altas:
Causam ruído na tubulação
Favorecem o desgaste pela abrasão e cavitação de peças e válvulas, aumentando os custos de manutenção
Dimensionamento de Redes Velocidades mínimas e máximas Para a NBR 12218:
Velocidade mínima: 0,6 m/s
Velocidade máxima: 3,5 m/s
Dimensionamento de Redes É usual a utilização da tabela ao lado para o dimensionamento da rede:
Fonte: Martins (1976)
Velocidades máximas em função do diâmetro D (mm)
Vmáx (m/s)
Qmáx (ℓ/s)
50 75 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
0,50 0,50 0,60 0,80 0,90 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70
1,0 2,2 4,7 14,1 28,3 53,9 84,8 125,0 176,0 238,0 314,0 403,0
Dimensionamento de Redes Diâmetro mínimo Deve considerar: Perda de carga Vazões disponíveis aos usuários Para a NBR 12218:
Diâmetro mínimo de 50 mm para tubulações secundárias
Não há nenhuma recomendação para tubulações principais
Dimensionamento de Redes Diâmetro mínimo Para a PNB 594/77 ABNT: Recomendava para diâmetro mínimo de tubulações principais de redes malhadas, os seguintes valores:
150 mm: zonas comerciais e residenciais com densidade igual ou superior a 150 hab/ha
100 mm: núcleos urbanos, com população de projeto superior a 5.000 habitantes
75 mm: núcleos urbanos cuja população de projeto é igual ou inferior a 5.000 habitantes
Dimensionamento de Redes Ramificadas Métodos
Tradicional (normalmente utilizado)
Métodos de Otimização (custo mínimo da rede de tubulações com seu sistema de bombeamento) - método de Granados: considera a variação do preço das tubulações em função de seus tipos, diâmetros e classes
Dimensionamento de Redes Ramificadas Método Tradicional Passos: a. Ca Calc lcul ular ar a vaz vazão ão to tota tall na na red redee Qmáx= K1xK2xPxq/86400 (ℓ/s) b. Me Medi dirr a ex exte tens nsão ão da re rede de L (m) (m) c. Ca Calc lcul ular ar a vaz vazão ão esp espec ecíf ífic icaa rela relati tiva va à ext exten ensã sãoo da rede qm = Qmáx/L d. Num Numerar erar os tre trecho choss de de jusa jusante nte par paraa mont montant antee (começar pelo trecho mais afastado do reservatório, que receberá o número 1) e Pre reeencher a pl planilha
Dimensionamento de Redes Ramificadas Método Tradicional Passos: e. Pre reeencher a pl planilha 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Trechos Exte Ex tens nsão ão (m (med edid idoo com com a esca escala la na na plan planta ta)) ℓ = comprimento do trecho Vazão do trecho: Qt = qmx ℓ Vazã Va zãoo de de jusa jusant nte: e: igu igual al a 0 nas nas ext extre remi mida dade dess da re rede de Vazão de montante: Qm = Q j+Qt Vazão fictícia: Qf = (Qm + Q j )/2
Dimensionamento de Redes Ramificadas Método Tradicional Passos: e. Preencher a planilha 7. Diâmetro: tabela 9.1- em função da vazão 8. Velocidade: calculada através da equação da continuidade Q = V.A → V = 4Q/πD2 Q (m3/s) e D (m) 9. Perda de carga unitária: Hazen-Williams J = 10,64Q1,85C-1,85D-4,87 Q (m3/s) e D (m) 10. Perda de carga no trecho: perda de carga unitária x ℓ
Dimensionamento de Redes Ramificadas Método Tradicional Passos: e. Preencher a planilha 11. Cota do terreno 12. Cotas piezométricas a jusante e a montante - escolher o ponto mais desfavorável (jusante do trecho 1) - admite-se a pressão dinâmica de 10 mH2O - a cota piezométrica neste ponto será: conta do terreno + 10 mH2O - a cota piezométrica a montante desse trecho será: cota piezométrica a jusante + perda de carga no trecho
Dimensionamento de Redes Ramificadas Método Tradicional Passos: e. Preencher a planilha 13. Pressão disponível a montante e a jusante: cota piezométrica – cota do terreno 14. Análise final verificar se as pressões situam-se nos limites estabelecidos - pressão mínima (manter pressão na rede de 10 mH2O) - pressão máxima (menor que 50 mH2O)
Dimensionamento de Redes Ramificadas Método Tradicional Passos: e. Preencher a planilha 14. Análise final Pressões forem satisfatórias: dimensionamento completo Pressões não satisfatórias: altera-se a cota do NA do reservatório, ou o traçado, ou os diâmetros admitidos, e repte-se o cálculo até que se obtenha uma perfeita distribuição de pressões
Dimensionamento de Redes Ramificadas Exercício Dimensionar a rede ramificada da figura abaixo
Dimensionamento de Redes Ramificadas Exercício Dados: População atendida: 5.000 habitantes Consumo per capita: 200 ℓ/hab.dia K1 = 1,20 K2 = 1,50 Cota do terreno: figura Comprimento dos trechos da rede Determinar: Diâmetro da rede; Pressões; Cotas piezométricas.
Planilha de Cálculo
Redes Malhadas
Não se conhece inicialmente o sentido de escoamento da água nas tubulações da rede.
Dimensionamento •
•
Método de otimização econômica: custo de implantação e operação da rede de tubulações e da estação elevatória seja mínimo Soluções aproximadas, chegando-se por tentativas à precisão desejada
Dimensionamento de Redes Malhadas Métodos
Método do seccionamento
Método de cálculo iterativo método da correção de vazões (Hardy-Cross) Método da linearização (matricial)
•
•
A NBR 12218 determina que o dimensionamento deve ser pelo método de cálculo iterativo, que garantam resíduos máximos de vazão e de carga piezométrica de 0,1 l/s e 0,5 kPa, respectivamente.
Dimensionamento de Redes Malhadas Métodos do Seccionamento é indicado:
redes de distribuição de cidades pequenas
Método de cálculo verificação de linhas secundárias de redes maiores
Dimensionamento de Redes Malhadas Métodos do Seccionamento:
Supõem-se seccionados os circuitos fechados, transformando uma rede malhada em uma rede ramificada fictícia
Fixam-se os trajetos que água deverá seguir para atingir os diferentes pontos da rede (trajeto mais curto possível)
Dimensionamento de Redes Malhadas Métodos do Seccionamento:
Dimensionamento de Redes Malhadas Métodos do Seccionamento:
Dimensionamento é semelhante dimensionamento de redes ramificadas
Verificar a hipótese dos seccionamento adotados: a pressões resultantes nos pontos de seccionamento devem ser aproximadamente iguais (tolerável 5% do valor médio)
•
ao
Dimensionamento de Redes Malhadas Métodos do Seccionamento:
Verificar a hipótese dos seccionamento adotados: caso resulte uma distribuição insatisfatória de pressão na rede ou uma altura exagerada para o reservatório, altera-se: - traçado da rede - seccionamento inicialmente adotado - diâmetro de alguns trechos
•
Dimensionamento de Redes Malhadas Métodos
Método do seccionamento
Método de cálculo iterativo método da correção de vazões (Hardy-Cross) Método da linearização (matricial)
•
•
Dimensionamento de Redes Malhadas Métodos de cálculo iterativo: O número de variáveis desconhecidas no dimensionamento corresponde ao número de tubos na rede A determinação das variáveis envolve a solução de igual número de equações simultâneas
Dimensionamento de Redes Malhadas Métodos de cálculo iterativo:
Leis que regulam as equações: A soma algébrica das perdas de carga nos trechos de um circuito hidráulico deve ser nula ∑∆Hi,j = 0
•
A soma das vazões que afluem a um nó deve ser igual a soma das vazões que saem do nó ∑Qi,j + Ei= 0
•
Em cada elemento de cada sub-circuito deve ser satisfeita a lei de perda de carga ∆Hi,j = ri,jQi,jn
•
Dimensionamento de Redes Malhadas Métodos
Método do seccionamento
Método de cálculo iterativo método da correção de vazões (Hardy-Cross) Método da linearização (matricial)
•
•
Dimensionamento de Redes Malhadas Métodos de Hardy-Cross:
Desenvolvido em 1936
Desenvolvimento manual dos cálculos de maneira simples
Aplicado para dimensionamento de condutos principais
Os condutos secundários são dimensionados pelos diâmetros mínimos estabelecidos
Dimensionamento de Redes Malhadas Métodos de Hardy-Cross: •
Modalidades:
Por compensação das perdas de carga (menos empregado) – calcula as vazões
Por compensação das vazões – calcula-se as perdas de carga •
Dimensionamento de Redes Malhadas Método de Hardy-Cross: •
•
Modalidades:
Por compensação das perdas de carga (menos empregado) Por compensação das vazões
Dimensionamento de Redes Malhadas Método de Hardy-Cross (compensação das vazões ):
Dimensionamento de Redes Malhadas Método de Hardy-Cross: •
∑ Q = Q1 + Q2 – Q3 – Q4 - Qd = 0
Anel I: ∑∆H = ∆H1 + ∆H2 – ∆H3 – ∆H4 = 0 •
Anel II: ∑∆H = -∆H2 + ∆H5 – ∆H6 – ∆H7 = 0 •
Se ∑∆H ≠ 0, ∆Q = -[∑∆H/(n∑(∆H/Q)]
Dimensionamento de Redes Malhadas Método de Hardy-Cross: Cálculo da perda de carga
•
∆H = rQn
Fórmula universal ∆H = 8fLQ2/ 2gD5 onde n = 2 Fórmula de Hazen-Williams ∆H = LQ1,85/(0,2785C)1,85 D4,87 onde n = 1,85
Exercício Para o sistema onde o reservatório elevado abastece a rede principal com 3 anéis (figura abaixo) determinar os diâmetros e as pressões
Exercício Dados: densidade demográfica: 500 hab/ha consumo per capita de água: 200 ℓ/hab.dia
K1 = 1,20
K2 = 1,50
Cota máxima do nível de água no reservatório: 800 m
Cota mínima do nível de água no reservatório: 796 m
Comprimento dos trechos e nós definidos na figura C = 120
Vazões concentradas nos nós Número do nó
Área ( ha)
Vazão (ℓ/s)
Vazão adotada (ℓ/s)
1
30
62,5
63
2
36
75,0
75
3
20
41,67
42
4
20
41,67
42
5
27
56,25
56
6
30
62,5
62,5
7
27
56,24
56
8
20
41,67
42
9
30
62,5
62
10
30
62,5
62
Total
270
562,5
562,5
Planilha para aplicação do método de Hardy-Cross Anel
Trecho
Diâmetro
Vazão Inicial (Q 0)
Perda de Carga h0
nh0/Qo
∆ Qo
Q1
h1
nh1/Q1
∆ Q2
Q2
h2
(m)
(ℓ/s)
(m)
(ℓ/s)
(ℓ/s)
(ℓ/s)
(m)
(m)
(ℓ/s)
(ℓ/s)
(m)
1-2 2 - 3* 3-4 4-5 5-1
∑=
∑= ∆Q=
∑= ∆Q=
2-6 6-7 7-8 8 - 3* 3 - 2*
∑=
∑= ∆Q=
∑= ∆Q=
3 - 8* 8 - 10 10 - 9 9-4 4 - 3*
∑=
∑=
∑=
Dimensionamento de Redes É usual a utilização da tabela ao lado para o dimensionamento da rede:
Fonte: Martins (1976)
Velocidades máximas em função do diâmetro D (mm)
Vmáx (m/s)
Qmáx (ℓ/s)
50 75 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
0,50 0,50 0,60 0,80 0,90 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70
1,0 2,2 4,7 14,1 28,3 53,9 84,8 125,0 176,0 238,0 314,0 403,0
Planilha para aplicação do método de Hardy-Cross Anel
Trecho
Diâmetro
Vazão Inicial (Q 0)
(m)
(ℓ/s)
1-2
0,55
326,5
2 - 3*
0,30
3-4
Perda de Carga h0
nh0/Qo
∆ Qo
Q1
h1
nh1/Q1
∆ Q2
Q2
h2
(ℓ/s)
(ℓ/s)
(ℓ/s)
(m)
(m)
(ℓ/s)
(ℓ/s)
(m)
2,11
0,0120
-7,3
319,2
2,02
0,0117
-3,6
315,6
1,98
81
3,06
0,0670
4,6
85,6
3,39
0,0733
-4,9
80,7
3,04
0,20
20
0,83
0,0768
-14,2
5,8
0,08
0,0255
1,2
7,0
0,12
4-5
0,35
-117
-2,14
0,0338
-7,3
-124,3
-2,39
0,0356
-3,6
-127,9
-2,52
5-1
0,40
-173
-2,30
0,0246
-7,3
-180
-2,49
0,0255
-3,6
-183,9
-2,58
∑=1,56
0,2142
∑= 0,61
0,1716
(m)
∆Q= -7,3ℓ/s
∑= 0,04
∆Q= -3,6ℓ/s
2-6
0,40
170,5
2,99
0,0324
-11,9
158,6
2,62
0,0306
1,3
159,9
2,66
6-7
0,35
108
1,85
0,0317
-11,9
96,1
1,49
0,0287
1,3
97,4
1,53
7-8
0,25
52
2,46
0,0875
-11,9
40,1
1,52
0,0701
1,3
41,4
1,61
8 - 3*
0,20
-19
-0,75
0,0730
-18,8
-37,8
-2,69
0,0317
6,1
-31,7
-1,95
3 - 2*
0,30
-81
-3,06
0,0699
-4,6
-85,6
-3,39
0,0733
4,9
-80,7
-3,04
∑=3,49
0,2945
∑= -0,45
0,3344
∆Q= -11,9ℓ/s
∑= 0,81
∆Q= 1,3ℓ/s
3 - 8*
0,20
19
0,75
0,0730
18,8
37,8
2,69
0,0317
-6,1
31,7
1,95
8 - 10
0,25
29
1,11
0,0708
6,9
35,9
1,65
0,0850
-4,8
31,7
1,27
10 - 9
0,25
-33
-1,41
0,0790
6,9
-26,1
-0,92
0,0652
-4,8
-30,9
-1,25
9-4
0,35
-95
-1,94
0,0378
6,9
-88,1
-1,69
0,0355
-4,8
-92,9
-1,86
4 - 3*
0,20
-20
-0,83
0,0768
14,2
-5,8
-0,08
0,0255
-1,2
-7,0
-0,12
∑=-2,32
0,3374
∑= 1,65
0,3429
∑= -0,01
Pressões nos nós
Pressões nos nós Número do nó
Pressão estática mínima ( m)
Perda de carga (m)
Pressão dinâmica mínima(m)
1
19
0,45
18,55
2
28
2,43
25,57
3
40
5,47
34,53
4
38
5,55
32,45
5
30
3,03
26,97
6
33
5,09
27,91
7
42
6,62
35,38
8
43
8,23
34,77
9
53
7,41
45,59
10
59
9,50
49,50
