Dimensiomento de Redes de Esgotamento Sanitário

Dimensiomento de Redes de Esgotamento Sanitário

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Aula 13 – Critérios de projetos

3- Critérios de projetos

3.1- As condições hidráulicas exigidas

O esgoto sanitário além de substâncias orgânicas e minerais dissolvidas, leva também substâncias coloidais e sólidos de maior dimensão, em mistura que pode formar depósitos nas paredes e no fundo dos condutos, o que não é conveniente para o seu funcionamento hidráulico, ou seja, para o escoamento.

Assim, no dimensionamento hidráulico deve-se prover condições satisfatórias de fluxo que, simultaneamente, devem atender aos seguintes quesitos:

- transportar as vazões esperadas, máximas (caso das vazões de fim de plano Qf), e mínimas (que são as de início de plano Qi);

- promover o arraste de sedimentos, garantindo a auto-limpeza dos condutos;

- evitar as condições que favorecem a formação de sulfetos (anaerobiose séptica) e a formação e desprendimento do gás sulfídrico (condições ácidas). O gás sulfídrico, em meio úmido, origina o ácido sulfúrico. Esse ácido age destruindo alguns materiais de que são feitos os condutos (o concreto, por exemplo), além de causar desconforto em razão de seu cheiro ofensivo.

O dimensionamento hidráulico consiste, pois em se determinar o diâmetro e a declividade longitudinal do conduto, tais que satisfaçam essas condições.

Outras condições que comparecem no dimensionamento hidráulico decorrem de vazões instantâneas devidas às descargas de bacias sanitárias, muitas vezes simultâneas; são elas:

- máxima altura da lâmina d’água para garantia do escoamento livre, fixada por norma em 75% do diâmetro, para as redes coletoras;

- mínima vazão a considerar nos cálculos hidráulicos, fixada em 1,5 L/s ou 0,0015 m3/s.

3.2- Critérios de projetos das canalizações

a) O cálculo do diâmetro

Os coletores são projetados para trabalhar, no máximo, com uma lâmina de água igual a 0,75do, destinando-se a parte superior dos condutos à ventilação do sistema e às imprevisões e flutuações excepcionais de nível.

A equação, de Manning com n=0,013 permite o cálculo do diâmetro para satisfazer a máxima vazão esperada (Qf) que atende ao limite y = 0,75 do. A expressão para se determinar esse diâmetro é a seguinte:

Nessa expressão deve-se entrar com a vazão em (m3/s), resultando o diâmetro em (m), ajustado para o diâmetro comercial (DN) mais próximo (em geral, adota-se o valor imediatamente acima do calculado).

O diâmetro mínimo dos coletores sanitários é estabelecido de acordo com as condições locais. Em São Paulo são utilizados:

- Áreas exclusivamente residenciais..............................150 mm (DN 150)

- Áreas de ocupação mista e áreas industriais................200 mm (DN 200)

A NBR 9649 (NB 567) de 1986 da ABNT admite o diâmetro mínimo DN 100.

A Tabela 3.2. (a) relaciona os valores de n para diferentes tipos de tubos.

Tabela 3.2 – Valores de n para diferentes tipos de tubulações

Tipos de tubulação

Valores de n

Aço galvanizado

0,015 a 0,017

Aço rebitado

0,015 a 0,017

Aço soldado

0,011 a 0,014

Cimento-amianto

0,010 a 0,012

Cobre e latão

0,009 a 0,012

Concreto muito liso

0,011 a 0,012

Concreto bem acabado

0,013 a 0,014

Concreto ordinário

0,014 a 0,016

Cerâmica

0,012 a 0,015

Ferro fundido novo

0,011 a 0,015

Ferro fundido em uso

0,015 a 0,025

Ferro ondulado

0,020 a 0,022

Madeiras em aduelas

0,011 a 0,013

Plástico

0,009 a 0,010

Tijolos

0,014 a 0,016

b) Profundidade

Recomenda-se como profundidade mínima 1,5 m (em relação à geratriz inferior dos tubos), para possibilitar as ligações prediais e proteger os tubos contra cargas externas. Todavia esse valor deve ser considerado apenas nos trechos de situação desfavorável.

A profundidade ótima, geralmente, está compreendida entre 1,8 e 2,5 m para facilitar o esgotamento dos prédios e evitar interferências dos coletores prediais com outras canalizações.

A NBR 09649 (NB 567)/ 1986 permite, para situações excepcionais, por exemplo ruas periféricas com baixo trânsito de veículos, recobrimento mínimo (em relação à geratriz superior dos tubos) de 0,90m, para assentamento no leito da via e de 0,65 m, quando no passeio.

c) Velocidade crítica e velocidade máxima

A norma brasileira citada acima estabelece que quando a velocidade final (vf), verificada no alcance do plano, é superior a velocidade crítica (vc), a lâmina de água máxima deve ser reduzida para 0,5do, sendo vc = 6(gRH)1/2, onde g = aceleração da gravidade e RH = raio hidráulico de final do plano. Isso decorre da possibilidade de emulsão de ar no líquido, aumentando a área molhada no conduto.

A norma estabelece também que a declividade máxima admissível é aquela que corresponde à velocidade final (vf) de 5 m/s. A razão disso é evitar a erosão da tubulação, que no entanto não tem sido observada em instalações em que ocorrem velocidades bem maiores.

d) Tensão trativa

A disposição normativa é que cada trecho de canalização deve ser verificado, para que a tensão trativa média seja igual ou superior a 1Pa, para coeficiente de Manning n = 0,013. A declividade mínima que satisfaz essa condição é expressa por , onde Qi é vazão de jusante do trecho no início do plano, em L/s e em m/m.

e) Vazão mínima

A norma recomenda que, em qualquer trecho, o menor valor de vazão a ser utilizado nos cálculos é 1,5 L/s.

f) Materiais

As manilhas cerâmicas podem ser consideradas o material usual para redes de esgoto sanitário.

Outros materiais comumente empregados são: tubo de concreto, de cimento amianto, de ferro fundido, de PVC, de fibra de vidro, etc.

Os materiais à base de cimento são menos resistentes aos despejos agressivos (resíduos industriais e líquidos em estado séptico).

Os tubos de ferro fundido somente são aplicados em situações especiais (trechos de pequeno recobrimento, trechos de velocidade excessiva, travessias, etc.)

Os tubos de PVC são os mais recomendáveis quando o nível de lençol freático é alto (beira-mar).

g) A auto-limpeza dos condutos. Tensão trativa

Tradicionalmente utiliza-se a associação de uma velocidade mínima com a mínima relação de enchimento da seção do tubo (y/do), para assegurar a capacidade do fluxo de transportar material sedimentável nas horas de menor contribuição, ou seja, a garantia de auto-limpeza das tubulações.

Por exemplo, a normalização brasileira de várias entidades previa limites mínimos, tais como y/do = 0,2 e vmin = 0,5m/s.

Na realidade, tratava-se de um controle indireto, pois a grandeza física que promove o arraste da matéria sedimentável é a tensão trativa que atua junto à parede da tubulação na parede da tubulação na parcela correspondente ao perímetro molhado.

A tensão trativa, ou tensão de arraste, nada mais é do que a componente tangencial do peso do líquido sobre a unidade de área da parede do coletor e que atua portanto sobre o material aí sedimentado, promovendo o seu arraste, vide Figura 3.2 (a).

Figura 3.2 (a) – Desenho esquemático para cálculo da tensão trativa

= peso específico (N/m3)

T = componente tangencial

A = área molhada

tensão trativa

Para pequeno, (declividade). Então:

em N/m2 ou Pa (pascal).

Essa tensão é um valor médio das tensões trativas no perímetro molhado da seção transversal considerada.

O estudo e a conceituação da tensão trativa vem se desenvolvendo desde o século XIX, para a solução de problemas de hidráulica fluvial e de canais sem revestimento. Muitos pesquisadores se aprofundaram na quantificação de valores levando em conta as muitas variáveis envolvidas, apoiando-se em numerosos resultados experimentais, buscando definir as fronteiras entre as regiões de repouso e de movimento das partículas. As pesquisas realizadas indicam em sua maioria que, no caso de coletores de esgoto, os valores da tensão trativa crítica para promover a auto-limpeza , se situam entre 1Pa e 2Pa.

Em São Paulo, a Sabesp, responsável estadual pelo saneamento básico, desenvolveu estudos e experiências desde 1980 e, através de norma interna de 1983, passou a utilizar o critério da tração trativa para a determinação da declividade mínima, adotando o valor de . Estudos posteriores constataram que esse limite é desfavorável à formação de sulfetos em canalizações com diâmetros maiores que DN 300, sulfetos esses responsáveis pela formação de ácido sulfúrico junto à geratriz superior dos tubos, causando a deterioração de materiais não imunes à ação desse ácido.

O eng. Miguel Zwi traçou em papel bi-logarítmico as curvas “lugar geométrico” de no plano vazão X declividade, a partir de relações geométricas e trigonométricas simples, associadas às fórmulas de Manning e da continuidade. O resultado foi um feixe de curvas de fraca curvatura, relativas aos diâmetros usuais, que substituídas por uma única reta, resultou na seguinte equação, para n = 0,013;

com Q em L/s e Io em m/m

Os pontos correspondentes aos diâmetros DN 100 a DN 400 e a reta resultante são mostrados na Figura 3.2. (b), onde > 1Pa na região acima da reta.

Figura 3.2. (b) – Declividade mínima Iomín em função da vazão para tensão trativa =1,0 Pa.

Observa-se que a declividade que promove a auto-limpeza é inversamente proporcional à vazão e conseqüentemente ao diâmetro, o que possibilita maiores valores da tensão trativa para os grandes condutos, com resultados favoráveis para evitar a formação de sulfetos (vide “Tensão trativa: critério econômico para dimensionamento”Tsutiya e Machado Neto – Revista DAE 140, março 1985).

Posteriormente a norma brasileira NBR 09649/1986 adotou esse procedimento no dimensionamento de redes coletoras de esgoto sanitário.

h) Velocidade crítica

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