SISTEMA DE ESGOTAMENTO SANITÁRIO

PROF. MARCO AURELIO HOLANDA DE CASTRO

•

1.1

INTRODUÇÃO Partes de um Sistema de Esgotamento Sanitário:

•

Rede Coletora: Conjunto de tubulações destinadas a receber e Conduzir os esgotos. A rede coletora é composta de coletores secundários, que recebem diretamente as ligações prediais e os coletores tronco ou coletores primários, que conduzem o esgoto a um emissário ou a um interceptor.

•

Interceptor: Canalização que recebe coletores primários diretamente ao longo do seu comprimento, não recebendo ligações prediais diretas.

•

Emissário: Tubulação de Esgoto que não recebe contribuições ao longo do seu comprimento.

•

Sifão Invertido: Tubulação de Esgoto destinada à transposição de obstáculo, funcionando sob pressão.

•

Corpo de água Receptor: Corpo de água onde são lançados os esgotos.

•

Estação Elevatória: Instalação de Recalque destinada a transferir o esgoto de uma cota mais baixa para uma cota mais alta.

Órgãos Acessórios da Rede:

o •

Poço de Visita: São dispositivos que evitam ou minimizam entupimentos nos pontos singulares da rede, tais como curvas, pontos de encontro de tubulações, etc., possibilitando ainda o acesso de pessoas e equipamentos a esses pontos. Os poços de Visita podem ser executados em alvenaria de tijolos (com revestimento), em concreto moldado no local ou em concreto pré-moldado (peças justapostas). Eles se compõe de duas partes: a câmara inferior (chamada de balão) e a câmara superior (chamada de caminé). Os poços de visita devem ser previstos nos pontos de: o Junção de coletores o Mudança na direção ou declividade dos coletores. o Mudança de diâmetro ou material.

Ponta Seca (PS) ou Terminal de Limpeza (TL): Tubo que permite a introdução de equipamentos de limpeza e substitue o poço de visita no início dos coletores.

Tubo de inspeção e Limpeza (TIL): Dispositivo não visitável que permite a inspeção e introdução de equipamentos de limpeza.

• Tubo de Queda: Dispositivo instalado em um PV ligando um coletor que chega numa cota mais alta que a do fundo do PV, conforme a figura da página seguinte. Tubos de Queda devem ser previstos em PV´s cuja diferença das cotas mencionadas seja superior a 60 cm. Não se deve prever Tubos de Queda em TIL´s.

0,60m Chaminé

Tampão de ferro fundido Laje de transição

Balão

Tubo de >0,60 queda m

>1,20m

Anéis de concreto 1,8 0m

Parede extravasora

Brita sobre terreno inalterado

Base de concreto Extravaso r

2. VAZÕES DE DIMENSIONAMENTO A Vazão Média de Demanda para início do Projeto (Qdi), medida em l/s, é calculada pela fórmula: C Pi q (2.1) 86.400 e a Vazão Média de Demanda para o último ano do Projeto (Qdf), medida em l/s, é calculada pela fórmula: Q di =

Q df =

C Pf q 86.400

(2.2)

onde C = Coeficiente de Retorno (0,8) Pi = População no primeiro ano do Projeto. (hab) Pf = Estimativa da População para o último ano do Projeto. (hab) l ) q = Consumo de água per capita (150 hab . dia As vazões de dimensionamento (em l/s) para o início e fim do projeto são dadas por, respectivamente: Q i = K 2 Q di + Q inf (2.3) Q f = K 1 K 2 Q df + Q inf

(2.4)

onde Qi e Qf = Vazões Máximas (Vazões de Dimensionamento) inicial e final, respectivamente (em l/s). K1 = Coeficiente de Vazão Máxima Diária. K2 = Coeficiente de Vazão Máxima Horária. Qinf = Vazão de Infiltração (em l/s).

TAXA DE CONTRIBUIÇÃO LINEAR (VAZÃO EM MARCHA) Taxa de Contribuição Linear para o Início do Projeto: K Q t i = 2 di + t inf L

(2.5)

Taxa de Contribuição Linear para o Final do Projeto: tf =

K 1 K 2 Q df + t inf L

(2.6)

onde ti e tf são as taxas de Contribuição Linear inicial e final, respectivamente, em tinf é a taxa de infiltração, em

l s.m

l s.m

L é o comprimento total da rede coletora, em m.

As águas do subsolo penetram na rede coletora através das juntas das tubulações das paredes das tubulações dos PV´s, TIL´s e TL´s, Estações Elevatórias, etc. As taxas de infiltração dependem de condições do local onde a rede será instalada, tais como Nível do Lençol Freático, Tipo de Solo, qualidade da execução da rede (Estanqueidade), material usado na rede e nos órgãos acessórios e tipo de l l junta usado. Segundo a NBR9649 da ABNT 0,00005 < tinf < 0,001 . s.m s.m l . É comum usar-se em projetos tinf = 0,0001 s.m

3. HIDRÁULICA DE COLETORES DE ESGOTO

c) Seções Circulares

= 2arc cos 1 - 2

y D

D2 ( - sen ) A= 8 B = D sen P=

R=

2

D 2

sen D (1) 4

usando as equações acima em teremos:

g ( c - sen Q2 = 5 D 512 sen

com

= 2 arc cosc 1

c

)3

c

2

2y c . D

Assim foi possível montar a tabela 3.1 da página seguinte, a partir da qual é possível obter as profundidades críticas a partir de valores conhecidos de vazão e diâmetro. A velocidade Crítica é dada por:

Vc = 6 g R onde Vc é a velocidade Crítica, em m/s. g = Aceleração da Gravidade, em m/s2. e R = Raio Hidráulico Considerando a Vazão Final do Trecho do Coletor, em m.

DIMENSIONAMENTO DE SEÇÕES CIRCULARES TABELA 3.1 2 5 2 5 Q /D Q/QCHEIA V/VCHEIA R/D Q/QCHEIA V/VCHEIA R/D y/D y/D Q /D 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.20 0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 0.26 0.27 0.28 0.29 0.30 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.40 0.41 0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 0.47 0.48 0.49 0.50 0.51 0.52 0.53 0.54

0.319 0.396 0.445 0.486 0.521 0.550 0.576 0.598 0.621 0.640 0.658 0.674 0.691 0.705 0.720 0.726 0.733 0.746 0.757 0.769 0.780 0.792 0.802 0.813 0.822 0.832 0.840 0.849 0.858 0.866 0.874 0.882 0.890 0.897 0.904 0.912 0.919 0.925 0.932 0.938 0.944 0.950 0.956 0.962 0.968 0.973 0.979 0.984 0.988 0.993 1.000 1.004 1.008 1.012 1.018

0.045 0.062 0.074 0.085 0.094 0.102 0.109 0.116 0.122 0.128 0.133 0.138 0.143 0.148 0.153 0.155 0.157 0.161 0.165 0.169 0.172 0.176 0.180 0.183 0.186 0.190 0.193 0.196 0.199 0.202 0.204 0.207 0.210 0.212 0.215 0.218 0.220 0.222 0.225 0.227 0.229 0.232 0.234 0.236 0.238 0.240 0.242 0.244 0.245 0.247 0.250 0.252 0.253 0.255 0.257

0.070 0.098 0.118 0.136 0.152 0.166 0.179 0.191 0.203 0.214 0.224 0.234 0.244 0.253 0.262 0.266 0.271 0.279 0.287 0.295 0.303 0.311 0.319 0.327 0.334 0.341 0.348 0.355 0.362 0.369 0.376 0.382 0.389 0.396 0.402 0.409 0.415 0.421 0.428 0.433 0.440 0.446 0.452 0.458 0.464 0.470 0.476 0.482 0.486 0.492 0.500 0.505 0.510 0.515 0.522

0.000 0.001 0.002 0.004 0.006 0.008 0.011 0.014 0.018 0.022 0.027 0.032 0.037 0.043 0.049 0.052 0.056 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.19 0.20 0.21 0.23 0.24 0.26 0.27 0.29 0.31 0.33 0.34 0.36 0.38 0.40 0.42 0.45 0.47 0.49 0.52 0.53 0.56 0.59 0.62 0.64 0.66 0.70

8.76 6.71 5.80 5.19 4.76 4.45 4.20 4.00 3.82 3.67 3.54 3.43 3.32 3.23 3.15 3.12 3.08 3.01 2.95 2.89 2.83 2.78 2.73 2.68 2.64 2.60 2.57 2.53 2.49 2.46 2.43 2.40 2.37 2.35 2.32 2.29 2.27 2.25 2.22 2.20 2.18 2.16 2.14 2.13 2.11 2.09 2.07 2.06 2.04 2.03 2.01 1.99 1.98 1.97 1.95

0.55 0.56 0.57 0.58 0.59 0.60 0.61 0.62 0.63 0.64 0.65 0.66 0.67 0.68 0.69 0.70 0.71 0.72 0.73 0.74 0.75 0.76 0.77 0.78 0.79 0.80 0.81 0.82 0.83 0.84 0.85 0.86 0.87 0.88 0.89 0.89 0.90 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1.00 1.008 1.016 1.026 1.039 1.047 1.054 1.060 1.066

1.0220 1.0274 1.0312 1.0357 1.0393 1.0457 1.0499 1.0533 1.0566 1.0599 1.0631 1.0675 1.0718 1.0742 1.0783 1.0817 1.0845 1.0882 1.0903 1.0939 1.0964 1.0993 1.1039 1.1061 1.1083 1.1104 1.1124 1.1151 1.1173 1.1198 1.1215 1.1237 1.1258 1.1275 1.1294 1.1308 1.1324 1.1335 1.1344 1.1353 1.1365 1.1376 1.1384 1.1391 1.1397 1.1400 1.1399 1.1397 1.1391 1.1381 1.1358 1.1337 1.1311 1.1280 1.1243

0.258 0.260 0.262 0.263 0.265 0.267 0.269 0.270 0.272 0.273 0.274 0.276 0.277 0.278 0.280 0.281 0.282 0.284 0.285 0.286 0.287 0.288 0.290 0.291 0.292 0.293 0.293 0.294 0.295 0.296 0.297 0.298 0.299 0.299 0.300 0.301 0.301 0.302 0.302 0.302 0.303 0.303 0.304 0.304 0.304 0.304 0.304 0.304 0.304 0.304 0.303 0.302 0.301 0.299 0.298

0.527 0.534 0.539 0.545 0.550 0.559 0.565 0.570 0.575 0.580 0.585 0.592 0.599 0.603 0.610 0.616 0.621 0.628 0.632 0.639 0.644 0.650 0.660 0.665 0.670 0.675 0.680 0.687 0.693 0.700 0.705 0.712 0.719 0.725 0.732 0.738 0.745 0.750 0.755 0.760 0.767 0.775 0.782 0.790 0.800 0.807 0.820 0.827 0.835 0.845 0.86 0.87 0.88 0.89 0.90

0.73 0.76 0.79 0.83 0.85 0.91 0.95 0.98 1.01 1.05 1.08 1.13 1.18 1.22 1.27 1.32 1.36 1.42 1.46 1.52 1.57 1.62 1.72 1.77 1.82 1.88 1.93 2.01 2.08 2.17 2.23 2.32 2.41 2.49 2.59 2.67 2.78 2.86 2.93 3.02 3.13 3.27 3.40 3.55 3.75 3.9 4.2 4.3 4.5 4.8 5.2 5.6 5.9 6.3 6.7

1.942 1.926 1.915 1.903 1.892 1.874 1.862 1.852 1.842 1.833 1.824 1.811 1.799 1.792 1.780 1.770 1.762 1.751 1.745 1.735 1.728 1.719 1.705 1.698 1.692 1.685 1.679 1.670 1.663 1.655 1.649 1.641 1.634 1.627 1.620 1.614 1.607 1.603 1.598 1.593 1.587 1.581 1.575 1.569 1.561 1.556 1.548 1.544 1.539 1.533 1.526 1.522 1.518 1.514 1.512

Q/QCHEIA V/VCHEIA R/D 1.070 1.120 0.296 1.073 1.115 0.294 1.075 1.109 0.292 1.076 1.103 0.289 1.075 1.095 0.286 1.071 1.086 0.283 1.066 1.075 0.279 1.057 1.062 0.274 1.042 1.044 0.267 1.000 1.000 0.250

y/D 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1.00

Q2/D5 7.2 7.8 8.5 9.3 10.3 11.6 13.6 16.7 23.7

1.509 1.508 1.507 1.506 1.507 1.509 1.512 1.516 1.524 1.548

EXEMPLO Sabendo que, para um determinado tubo: 3

9,092 m /s e D = 2,40 m . Calcule yc . Q2 = 1,038 D5 da tabela 3.1:

yc = 0,58 D

y c = 1,39m

Q=

Segundo a equação de chezy: V=c

R S0

onde: V = Velocidade média no coletor (m/s) S0 = declividade do coletor (m/m) c = coeficiente que depende da natureza das paredes do coletor. O Raio Hidráulico, por sua vez, é definido por: R = A/P onde A = Área Molhada de seção do coletor (área onde ocorre o escoamento). (m2) P = Perímetro Molhado (m) Resultados experimentais posteriores mostram que a proporcionalidade V

S01/2 na razoável, V não dependia de R de acordo com a função

da fórmula de chezy. Mannining, então, desenvolveu a fórmula:

V=

Q=

R

2

3

S0 n

1

2

ou

1 A 23 R S0 2 n

(3.1) conhecida como fórmula de Manning onde n é um coeficiente que depende da natureza das paredes do canal.

Tabela 3.1

Material do coletor Cerâmica Concreto PVC Ferro Fundido

Valores de n 0,013 0,013 0,010 0,012

Usando as fórmulas de A e P para um canal de seção circular:

V=

1 2,52 n

1 Q= 20,2 n

D

2

S

3

D

8

3

1

1-

2 0

S

1

2 0

2

sen

sen 2

3

5

3

3

Se o canal tiver diâmetro e declividade constante, as fórmulas acima mostram que a velocidade e a vazão variam apenas com o ângulo , igualando o zero as derivadas destas expressões em relação a , teremos: para a velocidade máxima:

= 257o

e

y = 0,81 D

para a vazão máxima: = 308o

y = 0,94 D

como vimos no exemplo, em geral nós conhecemos a vazão que deverá passar pela seção, e queremos determinar a profundidade y.

Nós podemos escrever: A A cheia

onde A cheia = R R cheia

=1

sen

=

1 2

(

sen

)

D2 = área de seção plena e A = área da seção parcialmente cheia, e 4 R cheia =

onde

D = raio hidráulico da seção cheia, podemos então 4

escrever:

Q A R = Q cheia A cheia R cheia

0,3117 D onde Q cheia = n

8

3

S

1

2 0

como

2

3

1 = 2

(

= 2 arc cos 1 2

sen 2

y D

3

)3 5

valores de

y Q para vários valores de estão contidos na tabela 3.1, portanto, uma D Q cheia

vez conhecidos Q, S0, n e D, determina-se Q e a razão se o valor de

Q e da tabela 3.1, determinaQ cheia

y e com este valor determina-se y. D

De maneira Similar, se nós quisermos o valor da Velocidade Média na Seção V V cheia 2

D 3 S onde V cheia = 2,52 n

1

2 0

= 1

sen (

)

2 3

é a velocidade considerando a seção cheia, uma vez o valor de

V y , com este valor determina-se e conseqüentemente, o valor de V. D V cheia

EXEMPLO

Q = 1m3/s, D = 2m , S0 = 0,0005 e n = 0,013.

Q cheia

0 ,3117 D = n

Q = 0,29 Q cheia

y = 0,74 m e para este valor de 2

D 3 S V cheia = 2,52 n

1

2 0

8

3

1

So2

= 3,404 m3/s

y = 0,369 (Tab. 3.1) D

= 2,62 radianos

V y , da tabela 3.1 = 0,87, como D V cheia

= 1,083

portanto V = 0,94 m/s

m s

TENSÃO TRATIVA A Tensão Trativa ou Tensão de Arraste é definida como a Tensão Tangencial (ou Cisalhante), exercida pelo fluido sobre as paredes da canalização. =

R S0

onde = peso específico do Fluido (9806 N/m3 ou para o Esgoto) A NBR9649 de 1986 recomenda o valor de 1 Pa (1 N/m2) como a Tensão Trativa Mínima aceitável em coletores de Esgoto. Usando a equação (3.1) e a equação da Tensão Trativa, nós podemos obter:

S0 =

nQ R

2

3

(3.2) Através da equação acima, é possível determinar um valor da declividade do coletor, S0, de modo que > 1 Pa.Esta será chamada declividade mínima. As expressões, para vários valores do Coeficiente de Manning, serão apresentadas na seguinte tabela: Tabela 3.2

Material do coletor Cerâmica ou Concreto PVC Ferro Fundido

Valores de n 0,013 0,010 0,012

Declividade Mínima (m/m) S min = 0,0055 Q i-0,47 S min = 0,0061 Q i 0, 49 S min = 0,0056 Q i 0, 48 Obs: Qi em l/s

4. CRITÉRIOS DE DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO DE COLETORES 4.1 Vazão Mínima A Norma NBR 9649 recomenda que, em qualquer coletor da rede, a vazão mínima seja de 1,5 l/s, desta forma, sempre que a vazão calculada em um trecho de coletor for menor que este valor, deve-se usar 1,5 l/s. 4.2 Diâmetro Mínimo A Norma NBR 9649 admite o diâmetro de 100 mm como mínimo, entretanto, para a CAGECE o diâmetro mínimo aceitável é de 150 mm. 4.3 Declividade Mínima A declividade mínima a ser adotada para cada trecho de coletor deverá ser tal que assegure uma Tensão Trativa no Trecho considerado de, no mínimo, 1 Pa. Para tanto, deve-se usar as fórmulas da tabela 3.2. 4.4 Lâmina d’água Máxima No caso de Escoamento Subcrítico no Trecho do Coletor considerado, ou seja, y > yc ou V < Vc , de acordo com a Norma NBR 9649, a máxima lâmina d’água no trecho deve corresponder a 75% do diâmetro, ou seja, y/D = 0,75. No caso de Escoamento Supercrítico no Trecho do Coletor considerado, ou seja, y < yc ou V > Vc, de acordo com a Norma NBR 9649, a máxima lâmina d’água no trecho deve corresponder a 50% do diâmetro, ou seja, y/D = 0,5.

4.4.1 Dimensionamento de Seções Circulares Nós podemos fazer esse dimensionamento de maneira simplificada a partir da fórmula de Manning:

A R 2 / 3 S10/ 2 Q= n ou Q=

A 5 / 3 S10/ 2 n P2/3

ou n Q A5/ 3 = 2/3 S10/ 2 P Se agora nós usarmos as fórmulas para A e P para seções circulares: n Q ( - sen ) 5 / 3 8 3 = D 13 2/3 S10/ 2 3 2 D

rearranjando os termos na expressão acima:

3,084 0, 25 nQ D= 0,625 ( - sen ) S10/ 2

0 , 375

(4.1)

Denominando: 3,084 0, 25 = ( - sen ) 0,625 e nQ = 1/ 2 S0

0 , 375

Desta forma, a equação (4.1) pode ser reescrita como: D=

(4.2)

Se nós quisermos deixar uma “folga” ou espaço livre de escoamento para uma determinada vazão, se nós não quisermos que a seção do coletor esteja completamente cheia, nós devemos seguir o seguinte procedimento: •

Determinar o valor de y/D desejado.

•

Para este valor, consultar a tabela 3.1 para determinação do

•

Calcular o valor de

•

Finalmente, determinar o valor do Diâmetro através da fórmula: D =

correspondente.

. .

EXEMPLO Considere um interceptor de esgoto para o qual n=0,024, Q = 2m3/s, D = 0,90 m, L = 30 m e S0 = 0,001 Dimensione o interceptor para que se tenha um espaço livre correspondente a 25% do diâmetro. Para uma seção cheia, y/D = 0,75, para este valor, de acordo com a tabela 3.1: = 1,603. 0 , 375

=

nQ

(S0 ) 2 1

= 1,416

e usando a fórmula 3.4: D =

= 2,27 m.

Nós podemos chegar a fórmulas simplificadas para a determinação do diâmetro considerando como material usado o PVC (n = 0,010) : Para y/D = 0,75 (Escoamento Subcrítico), da Tabela 3.1, = 1,603, portanto, a eq. (4.2) pode ser reescrita como:

D = 0,0427

Qf

0 , 375

(4.3)

S0

e para y/D = 0,5 (Escoamento Supercrítico), = 2,01, portanto:

D = 0,0536

Obs: Qf em m3/s.

Qf S0

0 ,375

(4.4)

4.5 Profundidade Mínima do Coletor A profundidade mínima de assentamento de um coletor de esgoto deve satisfazer a dois critérios: •

Atendimento das ligaões prediais.

•

Proteção contra cargas externas.

A profunidade mínima deve ser a menor considerando os dois critérios. No que se refere à proteção contra carregamentos externos, a CAGECE recomenda uma profundidade mínima de 1,05 m. A profundidade mínima do coletor visando atender as cotas das ligações prediais deve ser determinada através da seguinte equação: p = a + i L + h + hc

(4.5)

onde p = profunidade mínima do coletor (m). a = distância geratriz inferior interna do coletor público e a geratriz inferior interna do ramal predial (m). i = declividade do ramal predial (m) L = distância entre o coletor público e a caixa de inspeção (m) h = desnível entre a via pública e o aparelho sanitário de cota mais baixa (m). hc = altura da caixa de inspeção (m).

5. EXEMPLO DE DIMENSIONAMENTO DE REDE COLETORA: População Inicial: Pi = 2.000 hab População Final: Pf = 3.500 hab Consumo de água per capita: q= 160

l

hab . dia

Coeficiente de Retorno: C = 0,8. K1 = Coeficiente de Vazão Máxima Diária = 1,2 K2 = Coeficiente de Vazão Máxima Horária = 1,5. Taxa de Contribuição de Infiltração = tinf = 0,0001

l s.m

Material dos Coletores: PVC O passo inicial é conceber o sistema, traçar e numerar os coletores e os trechos. O maior coletor recebe o número 1 e seu primeiro trecho será denominado 1, numerando-se sucessivamente todos os outros trechos deste coletor. O primeiro coletor que chegar ao coletor 1 será o coletor 2 e assim sucessivamente. Após a Concepção, traçado e numeração dos trechos e dos PV´s, podemos determinar o L = 2.877 m. Em seguida, podemos comprimento total da rede coletora,

determinar: 5.1 Taxa de Contribuição Linear

A Vazão de Demanda Doméstica para início do Projeto (Qdi), Q di =

K 2 C Pi q l = 4,4 86.400 s

A Vazão de Demanda Doméstica para final do Projeto (Qdf), K 1K 2 C Pf q l = 9,33 86.400 s Taxa de Contribuição Linear para o Início do Projeto: Q l t i = di + t inf = 0,00164 L s.m Q df =

Taxa de Contribuição Linear para o Final do Projeto: tf =

Q df l + t inf = 0,00334 L s.m

5.2 Vazões em cada Trecho de Coletor Ela é determinada somando-se as vazões de contribuição dos trechos a montante à vazão de contribuição do trecho, que é determinada multiplicando-se a Taxa de Contribuição Linear pelo Comprimento do Trecho. 5.3 Profundidade Mínima dos Coletores Admitindo-se que a Cota do Ponto de Esgoto Predial mais baixo é a mesma da rua (h=0) e que a altura da Caixa de Ligação é de 0,5 m (hc),a = 0,2 m, i = 0,02 m/m e L = 25 m. p = a + i L + h + h c = 1,20 m como p calculado > 1,05 m (profundidade mínima segundo a CAGECE), adotaremos como profundidade mínima de assentamento dos coletores 1,20 m. TRECHO 1-1 Vazão a montante: Qim = 0 l/s e Qfm = 0 l/s Comprimento: L = 89 m Vazão no Trecho: qi = 0,00164 x 89 = 0,146 l/s e qf = 0,00334 x 89 = 0,297 l/s Vazão a Jusante: Qi = 0,146 l/s e Qf = 0,297 l/s como tanto Qi quanto Qf são menores que 1,5 l/s, adotaremos como vazão de dimensionamento: Qi = Qf = 1,5 l/s Cota do Terreno a montante: 502,05 m

Cota do Terreno a Jusante: 498,00 m Declividade do Terreno: S0 =

502,05 498,00 = 0,0455 m / m 89

Declividade Mínima do Coletor S min = 0,0061 Q i 0, 49 = 0,0050 m/m como S0 > Smin adotaremos como a declividade do coletor a declividade do terreno. Diâmetro do Coletor: Usando a eq. (4.3) (admitindo escoamento Subcrítico)

D = 0,0427

0 , 375

Qf

= 0,0478 m

S0

como este diâmetro é menor que o mínimo adotado (150 mm), usaremos D = 150 mm. Lâminas d’água e Velocidades Q cheia

0 ,3117 D = n

8

3

Qi = 0,0036 Q cheia

1

So2

= 0,422 m3/s = 422 l/s

yi = 0,136 (Tab. 3.1) D

yi = 0, 02 m = 20 mm para este valor de 2

D 3 S V cheia = 2,52 n

1

2 0

Vi yi , da tabela 3.1 = 0,486, como D V cheia = 2,39

portanto Vi = 1,16 m/s

m s

Tensão Trativa Da tabela 3.1, Ri/D = 0,085 m, portanto, Ri = 0,013 m e = R S 0 =9.810 N/m3 x 0,013 m x 0,0455 = 5,69 Pa > 1 Pa OK i

=

Velocidade Crítica: Vc i = 6 g R i = 2,12 m/s > Vi ==

Escoamento subcrítico, suposição inicial OK.

TRECHO 1-7 Vazão a montante: Qim = 5,786 l/s e Qfm = 6,624 l/s Comprimento: L = 100 m Vazão no Trecho: qi = 0,00164 x 100 = 0,164 l/s e qf = 0,00334 x 100 = 0,334 l/s Vazão a Jusante: Qi = 0,164 + 5,786 = 5,950 l/s e Qf = 0,334 + 6,624 = 6,958 l/s como tanto Qi quanto Qf são maiores que 1,5 l/s. Cota do Terreno a montante: 485,5 m Cota do Terreno a Jusante: 484,9 m Declividade do Terreno: 484,9 485,5 = 0,0060 m / m 100 Observe que o terreno sobe. S0 =

Declividade Mínima do Coletor S min = 0,0061 Q i 0, 49 = 0,0025 m/m a qual será adotada como declividade de assentamento do coletor Usando a eq. (4.3) (admitindo escoamento Subcrítico)

D = 0,0427

Qf

0 , 375

S0

= 0,145 m

como este diâmetro é menor que o mínimo adotado (150 mm), usaremos D = 150 mm.

Lâminas d’água e Velocidades Q cheia

0 ,3117 D = n

8

Qi = 0,601 Q cheia

3

1

So2

= 0,0099 m3/s = 9,9 l/s

yi = 0,559 (Tab. 3.1) D

yi = 0, 084 m = 84 mm para este valor de 2

D 3 S V cheia = 2,52 n

1

2 0

Vi yi , da tabela 3.1 = 1,046, como D V cheia = 0,56

m s

portanto Vi = 0,59 m/s Tensão Trativa Da tabela 3.1, Ri/D = 0,267 m, portanto, Ri = 0,040 m e = R i S 0 =9.810 N/m3 x 0,040 m x 0,0025 = 0,98 Pa ˜ 1 Pa OK i

=

Velocidade Crítica: Vc i = 6 g R i = 3,76 m/s > Vi ==

Escoamento subcrítico, suposição inicial OK.

Qf = 0,703 Q cheia

yf = 0,616 (Tab. 3.1) D

yf = 0, 092 m = 92 mm para este valor de

Vf yf , da tabela 3.1 = 1,0817, como D V cheia

portanto Vf = 0,61 m/s Tensão Trativa Da tabela 3.1, Rf/D = 0,281 m, portanto, Rf = 0,042 m e = R f S 0 =9.810 N/m3 x 0,0422 m x 0,0025 = 1,03 Pa ˜ 1 Pa OK f

=

Velocidade Crítica: Vc f = 6 g R f = 3,86 m/s > Vf ==

Escoamento subcrítico, suposição inicial OK.

5.

TRATAMENTO

PRELIMINAR:

GRADEAMENTO

REMOÇÃO

DE

SEDIMENTOS PESADOS ATRAVÉS DAS CAIXAS DE AREIA E MEDIÇÃO DE VAZÃO ATRAVÉS DA CALHA PARSHALL.

Grades em série

Coletor

Caixas de Areia em paralelo

Estação elevatória ou ETE

Calha Parshall

Estação elevatória Lâmina d´água na Calha Parshall Hmáxima Perda de carga na grade hf

Coletor de Esgoto Grades em série

Lâmina d´água na grade hmáxima Rebaixo na Calha Parshall Z Figura 5.1

Calha Parshall Tanque

5.1 DIMENSIONAMENTO DA CALHA PARSHALL

A calha de Parshall ou Vertedor Parshall usa os princípios de um vertedor de parede espessa e é largamente usada para medir a vazão em canais abertos. Este vertedor foi projetado por R. L. Parshall em 1920. A calha Parshall foi desenvolvida usando as unidades do sistema inglês. As calhas tem dimensões que variam de acordo com as vazões mínima e máxima de projeto . De acordo com essas vazões mínima e máxima deve-se usar as dimensões da tabela 9. Equações empíricas que relacionam a altura do poço de leitura (Ha) com a vazão medida podem também ser encontradas na tabela 10. Quando a razão entre as leituras Hb/Ha (razão de submergência) excedem os seguintes valores: 0,50 para calhas com W = 1”, 2” ou 3” 0,60 para calhas com W = 6” ou 9” 0,70 para calhas com W = 1 f t a 8 f t 0,80 para calhas com W > 10 f t O escoamento é chamado de submerso. O efeito dessa submersão à jusante é uma diminuição da vazão na calha. Neste caso, a vazão calculada pela equação (tabela) deve ser corrigida de acordo com os gráficos da figura 5.2.

Tabela 5.1

W

Q (L/s) Ha (m)

Pé

Pol

(’)

(”)

0

6

-

Vazão (L/s) MIN.

MAX.

381,2 H1,580 a

1,42

110,44

9

535,4 H1,530 a

2,55

252,02

1

0

691,0 H1,522 a

3,11

455,90

1

6

1.057 H1,538 a

4,25

696,60

2

0

1.428 H1,550 a

11,89

937

3

0

17,27

1.427

4

0

36,81

1.922

5

0

45,31

2.423

6

0

73,62

2.930

7

0

84,95

3.437

8

0

99,11

3.950

10

0

170

5.663

12

0

227

9.911

15

0

227

16.990

20

0

283

28.317

25

0

425

33.980

30

0

425

33.980

40

0

526

56.634

50

0

2.184 H1,566 a 1,578 2.954 Ha 3.732 H1,587 a 1,595 4.519 Ha 5.307 H1,6 a 1,6 6.065 Ha 7.462 H1,6 a 1,6 8.860 Ha 10.957 H1,6 a 1,6 14.451 Ha 17.945 H1,6 a 21.440 H1,6 a 1,6 28.428 Ha 35.417 H1,6 a

7.079

84.951

Tabela 5.2

W

A

B

C

D

F

G

N

(cm)

(cm)

(cm)

(cm)

(cm)

(cm)

(cm)

6”

15,2 cm

61,0

61,0

39,4

40,3

30,5

61,0

11,4

9”

22,9 cm

88,0

86,4

38,0

57,5

30,5

45,7

11,4

1’

30,5 cm

137,2

134,4

61,0

84,5

61,0

91,5

22,9

1’ ½”

45,7 cm

144,9

142,0

76,2

102,6

61,0

91,5

22,9

2’

61,0 cm

152,5

149,6

91,5

120,7

61,0

91,5

22,9

3’

91,5 cm

167,7

164,5

122,0

157,2

61,0

91,5

22,9

Valores Numéricos referentes a:Calhas PARSHALL - Fatores de Correção para W = 1.0; 2.0; 3.0; 4.0; 6.0 e 8.0 Hb / Ha ft m 0.300 0.091 0.400 0.122 0.500 0.152 0.600 0.183 0.800 0.244 1.000 0.305 1.500 0.457 2.000 0.610 2.500 0.762

1.00

70% l /s cfs 0.067 0.070 0.076 0.082 0.100 0.126 0.254 0.442 0.671

a b L l

Altura de Montante (Ha (m))

cfs

0.10

1.897 1.982 2.152 2.322 2.832 3.568 7.192 12.516 19.001

72% l /s cfs 0.072 0.076 0.083 0.092 0.117 0.154 0.310 0.540 0.819

2.039 2.152 2.350 2.605 3.313 4.347 8.778 15.291 23.191

74% l /s cfs 0.077 0.083 0.091 0.105 0.139 0.181 0.393 0.671 1.039

2.180 2.350 2.577 2.968 3.936 5.111 11.129 19.001 29.421

76% l /s cfs 0.083 0.092 0.103 0.119 0.165 0.225 0.498 0.803 1.242

2.350 2.605 2.917 3.373 4.672 6.371 14.102 22.738 35.170

78% l /s cfs 0.089 0.101 0.117 0.138 0.200 0.286 0.584 0.979 1.515

2.520 2.854 3.313 3.908 5.663 8.099 16.537 27.722 42.900

80% l /s cfs 0.100 2.832 0.116 3.285 0.135 3.823 0.160 4.531 0.232 6.558 0.350 9.911 0.700 19.822 1.220 34.547 1.821 51.559

82% l /s cfs 0.110 3.115 0.133 3.766 0.160 4.531 0.200 5.663 0.300 8.495 0.426 12.066 0.840 23.786 1.430 40.493 2.295 64.987

84% l /s cfs 0.120 3.404 0.149 4.219 0.188 5.321 0.232 6.558 0.346 9.809 0.513 14.527 1.070 30.299 1.719 48.677 2.631 74.499

86% l /s cfs 0.132 3.726 0.173 4.887 0.225 6.374 0.290 8.212 0.438 12.411 0.640 18.123 1.286 36.415 2.177 61.646 3.184 90.161

88% l /s cfs 0.157 4.446 0.218 6.173 0.290 8.212 0.366 10.364 0.580 16.424 0.820 23.220 1.650 46.723 2.620 74.190 3.900 110.436

Calhas PARSHALL - Fatores de Correção

0.2 2 5.8 5.1

70

72

74

76

78

80

82

84

86

8888

1.515

70 72 74 76 78 80 82 84 86

88

90

92

94

96

0.01 1

10

Correção (l /s)

100

90

92

5.2 GRADEAMENTO

Grade de Barras: São dispositivos constituídos por barras metálicas, igualmente espaçadas. Destinam-se a reter sólidos grosseiros em suspensão e corpos flutuantes. As dimensões principais de uma grade são estabelecidas para que se tenha uma seção de escoamento com velocidade adequada. Velocidades muito baixas podem causar um entupimento na grade e velocidades muito altas induzem a passagem de sólidos que deveriam ficar retidos na grade. Normalmente, recomenda-se que, através de grade, 0,50 m/s < V < 0,75 m/s. Esses valores devem ser verificados para vazões mínimas, médias e máximas. Estabelecida a velocidade aceitável do escoamento do esgoto através da grade, pode-se determinar a área útil ou área livre:

Au =

Q max Vmax

(5.1)

Conhecendo-se o espaçamento entre as barras da grade (a), bem como o diâmetro da barra, pode-se determinar a área total ou seção de escoamento a montante da barra: S=

Au E

(5.2)

onde E é a eficiência da grade, a qual é função de a e de t, de acordo com a tabela: E (Eficiência) t

a = ¾” (20 mm)

a = 1” (25 mm)

a =1 ¾” (30 mm)

t = ¼” (6 mm)

0,750

0,800

0,834

t = 5/16” (8 mm)

0,730

0,768

0,803

t = 3/8” (10 mm)

0,677

0,728

0,770

t = ½” (13 mm)

0,600

0,667

0,715

A perda de carga através da grade pode ser determinada por: h f = 1,43

(V

2

v2 2g

)

(5.3)

onde hf = perda de carga (m) V = Velocidade através das barras (m/s) v = E V = Velocidade a montante da grade (m/s) g = Aceleração da gravidade (9,806 m/s2)

5.3 CAIXAS DE AREIA

Caixas de areia são unidades destinadas a reter areia e/ou outros detritos minerais inertes e pesados que se encontram em suspensão nos esgotos. Nas caixas de areia, a velocidade recomendável é de 0,30 m/s, com tolerância de ± 20 %. A área da caixa de areia deve ser tal que garanta taxas de 600 a 1.200 m3 de esgoto por m2 de superfície. Se H é profundidade ou lâmina d’água na caixa de areia, V é a velocidade de escoamento (0,30 m/s), b é a largura da caixa, L = comprimento da Caixa S é a área da seção transversal ao escoamento e A é a área da caixa de areia em planta baixa (A = b L), m3 Desta forma 600 < Q/A < 1.200 2 , teremos: m . dia

HV Q SV bHV bHV = = = = A A A bL L

ou seja:

L=

VH Q/A

para Q/A de 1.200 L = 22,5 H

(5.4) m3 m3 , (0,0138 ) V = 0,30 m/s m 2 . dia m2 . s

na prática, usa-se

L = 25 H

(5.5)

A largura da Caixa de Areia é dada por

b=

Q HV

(5.6)

Na prática , a caixa de areia geralmente está associada a uma Calha Parshall. Como a largura da Garganta da Calha Parshall (W) é menor que a largura da Caixa de Areia, a calha Parshall deve ser instalada com um “rebaixamento” em relação a Caixa de Areia, de acordo com a figura:

O valor de do rebaixamento z é calculado da seguinte forma: •

Calcula-se Ha min e Ha max correspondentes a Qmin e Qmax.

•

Determina-se z:

Q min Ha min = Q max Ha max •

z z

(5.7)

Determina-se H na Caixa de Areia:

H = Ha max – z

(5.8)

EXEMPLO Vazão média diária = 12,32 l/s

- Vazão mínima diária:= 7,59 l/s - Vazão máxima diária = 19,88 l/s Para a vazão máxima de 19,88 l/s, verifica-se que o menor vertedor Parshall aplicável é a largura (W) igual a 15,2 cm (G”) adotando-se este tamanho as demais dimensões do vertedor são: A = 61,0cm, C = 89,4cm, F = 30,5cm, N = 11,4cm,

B = 61,0cm, D = 40,3cm, G = 61,0,

(Ver figura do vertedor Parshall). Para este vertedor, as alturas de água Ha são: Para Q max = 19,88 l /s => Hamax = 15,8cm Para Q min = 7,59 l /s => Hamin = 8,3cm A Calha Parshall deve ser construída em posição rebaixada de Z metros. O rebaixamento é dado por: Q min Ha min z = Q max Ha max z

0,00759 0,01988

= =

0,083 - z 0,158 - z

z = 0,037 m = 3,7 cm

DIMENSIONAMENTO DA CAIXA DE AREIA: A altura máxima na caixa de areia (e na grade ) é dada por: H = Ha max - z = 15,8 - 3,7 = 12,1 cm. Deve-se usar uma velocidade em torno de V = 0,30 m/s na caixa de areia, nesse caso, a largura é dada por: b= Q 0,01988 = 0, 548 m (H) (V )

( 0,121) (0,30)

Vamos usar b = 0,60 m - Comprimento da caixa de areia L = 25 H = 25 x 0,121 = 3,025 m Adotaremos L = 3 m Área (Superfície): 3 x 0,6 = 1,8 m2 Taxa de escoamento superficial: Q med = 12,32 l/s = 1.064 Q med A

m3 dia

= 591 m3 / m2 . dia

= 1.064 1,8

- Quantidade de material retido: Espera-se, em média o seguinte volume de detritos (areia): Base admitida 30 litros / 1000m3 591 ( 30 ) = 18 litros / dia 1000

= 0, 018 m3 1,8

Admitindo uma limpeza por mês, a profundidade de depósito inferior máxima ( P ) será dada por: P =

0,018 x 30

= 0,30 m = 30 cm

1,8 DIMENSIONAMENTO DA GRADE:

A grade será de barras de aço de seção retangular de 10mm x 40 mm ( 3/8” x 1 1/2”) com abertura de 30 mm. Para estes melhores de espessura e abertura da grade, a eficiência é de E = 0,77 - Velocidade máxima adotada na grade: Vmax = 0,65 m/s - Á útil necessária: Au = Q max Vmax Au = 0,0198 = 0, 031 m2 0,65 - Área total: S Au = 0 ,031 = 0,040 m2 E 0, 77 - Largura do canal: b = 5 onde H é o mesmo da caixa de areia H b = 0,040 = 0,33 m adotaremos b = 40 cm 0,121 Para este valor , será verificada a velocidade para diferentes vazões: Q s)

H (m)

S=bH ( m2 )

Au = S.E

V=Q Au ( m/s )

Q max = 0,0198

0,121

0,048

0,037

0,54

Q min = 0,00759

0,046

0,018

0,014

0,54

m3/

Verifica-se que a velocidade ( 0,54 m/s ) esta situado entre o valor mínimo ( Vmin ) de 0,40 m/s e o valor máximo de 0,75 m/s . - Determinação da perda de carga máxima ( hf ) Vamos considerar a grade 50 % suja, neste caso, V = 2 x v max V = 2 ( 0,65 ) = 1,3 m/s hf = 1,43 [ V2 - ( E . V )2 ] 2g

onde E = 0,77 e g = 9,81 m / s2

hf = 1,43 [( 1,3 )2 ] - ( 0,77 x 1,3 )2 ] hf = 0,050 m = 5 cm ( 2 ) ( 9,81 ) Assim construindo-se um canal com rebaixamento ( r ) de 5 cm, não haverá sob relevação de água no interior do conduto.

EXEMPLO Uma calha Parshall com W = 4 f t é instalada para medir a vazão de um sistema de Esgotomento Sanitário. Sabendo que Ha = 0,76 m e Hb = 0,61 m, determine a vazão que passa pelo canal. Da tabela: Q = 2954 Ha1,578 assim Q = 1.916 l/s como a submergência =

Hb = 80% , o valor acima de vazão deve ser corrigido. Ha Do gráfico da figura : para Ha = 0,76 m = 2,5 f t, nós obtemos um valor de 1,9

f t3 = s

53,8 l/s, para um vertedor de W = 4 f t , a vazão de correção é dada por ( Q)c = 3,1 x 53,8 = 167 l/s , portanto a vazão corrigida, Qc = Q – ( Q)c = 1749 l/s. .