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DIMENSIONAMENTO DE REDE DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA PARA A
COMUNIDADE RURAL CHAPADA DE SÃO MIGUEL EM ESPERANTINA-PI
Manoel Nazareno Amorim Dantas1
Jéssica da Silva Machado2
RESUMO Este artigo trata da metodologia utilizada para a implantação de uma rede de distribuição e seu dimensionamento, com o intuito de atender a comunidade rural Chapada de São Miguel, em Esperantina-PI, que, atualmente, possui um chafariz comunitário como principal fonte de abastecimento de água. O trabalho propõe a instalação da rede tendo o chafariz como parte integrante do sistema, sendo a fonte de abastecimento da rede de distribuição. A realização do dimensionamento deu-se por meio de planilhas em Excel, baseadas na revisão literal, em que foram reforçados os conceitos básicos da hidráulica, assim como os estudos para a concepção de sistemas de abastecimento de água. Realizou-se também a pesquisa de campo, com o levantamento de dados locais, tais como: população, cotas e medidas do terreno, análise das partes que compõem o chafariz, verificando a viabilidade de aproveitamento do mesmo. Cercando-se de todas as informações necessárias, realizou-se o estudo da concepção do sistema, optando-se pela rede ramificada. Para a escolha desse traçado, levou-se em conta a geometria do terreno e as características da comunidade, pois, de acordo com Porto (2006), redes ramificadas são bastante utilizadas em sistemas de distribuição de pequeno porte, como: irrigação por aspersão e abastecimento de água em pequenas localidades, povoados, acampamentos, granjas, entre outros.
Palavras-chave: Rede. Dimensionamento. Abastecimento. Distribuição. ABSTRACT The proposed article deals with the methodology used for the implementation of a distribution network and its dimensioning, in order to serve the rural community Chapada de São Miguel, in Esperantina-PI, which currently has a community fountain as its main source of supply. The design was done through excel spreadsheets, based on the literal revision, which reinforced the basic concepts of hydraulics as well as studies for the design of water supply systems. Field research was also carried out, with the survey of local data, such as: the population, the dimensions and measures of the land, as well as the analysis of the parts that compose the fountain, verifying the viability of its use. Surrounding itself with all the necessary information, the study of the system conception was carried out choosing the branched network. To choose this layout, we took into account the geometry of the terrain and the characteristics of the community, because according to Porto (2006), Branched networks are widely used in small distribution systems, such as sprinkler irrigation and water supply in small towns, villages, camps, farms, etc.
Keywords: Network. Sizing. Supply. Distribution.
1 Engenheiro Civil pelo Centro Universitário Maurício de Nassau – UNINASSAU em Teresina – PI, email:
[email protected]. 2 Engenheira Civil pelo Centro Universitário Maurício de Nassau – UNINASSAU em Teresina – PI, email:
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INTRODUÇÃO
A água é uma das substâncias mais importantes para os seres vivos. Ela
exerce papel fundamental para as funções da natureza, manutenção do ecossistema
e está relacionada diretamente à saúde, à qualidade de vida e ao desenvolvimento
humano.
Embora a Terra tenha a maior parte de sua superfície coberta por água, não
significa que se trate de um bem inesgotável. Para Victorino (2007), toda a água
existente no planeta constitui-se de dois tipos, a água doce presente nos rios, lagos
e subterrâneo e a água salgada, que compõe os mares e oceanos. Desse total,
somente 2,8% são de água doce, sendo que apenas 0,029% representam as águas
superficiais, presentes em rios e lagos, que estão diretamente disponíveis, pois os
outros 2,771% de água doce, somam as águas congeladas nas calotas polares,
assim como as águas subterrâneas de difícil acesso, e por fim, as águas evaporadas
na atmosfera.
O Brasil, apesar de ser bastante rico em recursos hídricos, vem sofrendo com
a escassez de água disponível. O aumento da população aliado a fatores climáticos
atribuídos ao aquecimento global e a degradação dos mananciais são fatores
determinantes para a redução dos níveis de água nos reservatórios. Uma das
regiões que mais sofre é o semiárido brasileiro.
Victorino (2007) afirma que apesar da irregularidade das chuvas no sertão
nordestino e mesmo com os longos períodos de estiagem que mantêm rios e lagos
secos durante a maior parte do ano, há mais disponibilidade de água no semiárido
nordestino do que em muitos países do mundo. Significa que há uma relativa
disponibilidade de água no semiárido brasileiro, o que faltam são investimentos para
gerenciar os recursos hídricos.
A Comunidade Rural Chapada de São Miguel, localizada na cidade de
Esperantina-PI, semiárido nordestino, possui um chafariz comunitário para atender
as 168 famílias que moram no local. Neste chafariz, os moradores lavam suas
roupas e transportam a água por meio de baldes até suas residências. A
comunidade possui uma área de 176 hectares, o que torna longa a distância entre o
chafariz e a maioria das residências. Além da falta de comodidade, existe também o
risco de contaminação da água, tanto no transporte quanto no armazenamento, pois
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a água é estocada em reservatórios improvisados nas residências, de maneira
inadequada, gerando riscos à saúde.
Diante das considerações acima, faz-se necessário o desenvolvimento de um
sistema que realize este percurso, através de uma rede de distribuição para
transportar a água até os pontos de consumo, de forma mais segura, com menos
desperdício e riscos de contaminação, promovendo saúde, conforto e qualidade de
vida para os moradores. Nesse sentido, a comunidade já conta com um sistema
formado pelo chafariz que dispõe de poço artesiano (com controle mensal da
qualidade da água realizado pela prefeitura da cidade), bomba de recalque e
reservatório elevado, necessitando apenas da instalação da rede. Desse modo, tem-
se o problema da pesquisa: como dimensionar uma rede de distribuição de maneira
a atender a comunidade, com os requisitos mínimos de pressão e vazão, de modo a
garantir um fornecimento de água contínuo, conforme as normas regulamentadoras?
Com isso, temos como hipótese que para o sucesso da instalação de uma
rede de distribuição, deve-se partir de um estudo aprofundado de todos os pontos
relevantes para o dimensionamento do sistema, tomando como parâmetros as
literaturas existentes e as orientações das NBRs, de forma a garantir um bom
fornecimento de água, com baixo custo, mas sem comprometer a eficácia do
sistema e assim atender aos anseios daquela comunidade.
O objetivo geral desse estudo é dimensionar a rede de abastecimento de
água para atender a Comunidade Rural Chapada de São Miguel, em Esperantina-PI.
Os objetivos específicos são: garantir pressões suficientes na rede para o bom
funcionamento; assegurar um sistema capaz de transportar água em vazão
suficiente para toda a rede; garantir o funcionamento ininterrupto do sistema.
Para a realização deste trabalho, utilizou-se como metodologia a revisão de
literatura dos conceitos da hidráulica, inerentes à concepção de sistemas de
abastecimento de água e dimensionamento de redes ramificadas. Realizou-se o
levantamento das cotas topográficas in loco, através de aparelho GPS portátil, assim
como o levantamento da população atual e as medidas do terreno, por onde passará
a futura rede de abastecimento. Durante a visita, também foi possível analisar os
componentes do chafariz que possivelmente alimentará a rede de abastecimento,
objeto de estudo deste trabalho.
Para reforçar os estudos realizados em campo, tomou-se como base teórica
os trabalhos realizados por diversos autores, dentre eles destacam-se: Porto (2006),
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que discorre, de forma bastante didática e sucinta, sobre os conceitos básicos da
hidráulica, contemplando as principais características de escoamento em condutos
livres e forçados em seus fundamentos; Tsutiya (2006), que aborda com riqueza de
detalhes os estudos da concepção de um sistema de abastecimento de água;
Azevedo Netto (2017), reeditado por Miguel Fernández y Fernández, que estuda o
dimensionamento de sistemas hidráulicos, apresentando comentários e aplicações
práticas, desenvolvidas pelas experiências do próprio autor.
A justificativa para a realização deste trabalho parte da necessidade de se
desenvolver junto à comunidade Chapada de São Miguel um sistema que venha
atender as necessidades básicas da referida comunidade, para que a população
local possa dispor de água encanada na quantidade e qualidade adequadas,
contribuindo para a qualidade de vida dos moradores e para o desenvolvimento
daquela região. O estudo também traz como benefício os conhecimentos
desenvolvidos durante o processo de pesquisa, aliando a prática às teorias
adquiridas durante a graduação, contribuindo assim para uma excelente formação
profissional e servindo de fonte de pesquisa para futuros trabalhos acadêmicos.
Dessa forma, este trabalho constitui-se de quatro etapas organizadas,
apresentando, inicialmente, os estudos e levantamentos necessários para se
determinar a vazão de projeto do sistema. Na sequência, aborda-se os estudos
necessários para a concepção de um sistema de abastecimento de água. Realiza-se
também uma revisão dos conceitos da hidráulica para elaboração de projetos de
redes ramificadas, para, em seguida, finalizar com o dimensionamento da rede de
distribuição e a análise dos resultados obtidos.
2 ESTUDO DA POPULAÇÃO E CONSUMO PER CAPITA
Para o correto dimensionamento de todas as etapas que irão compor um
sistema de abastecimento de água, o primeiro passo é estimar a vazão de projeto,
pois esta é uma das principais grandezas dentro de um sistema de abastecimento,
haja vista que grande parte de seus componentes são dimensionados de acordo
com a sua determinação. A vazão de projeto pode ser compreendida como o volume
de água por unidade de tempo, suficiente para atender a determinada localidade e é
estimada levando-se em conta vários fatores que o projetista precisa estar atento
durante a concepção do projeto (TSUTIYA, 2006). A análise desses fatores é
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necessária para evitar problemas com a ineficiência do sistema devido ao
subdimensionamento desses componentes ou à elevação demasiada dos custos do
projeto, com o superdimensionamento, acarretando também a ociosidade desses
componentes.
Tsutiya (2006) apresenta vários fatores que podem influenciar o consumo
médio per capita ( ), como, por exemplo, os hábitos da população, a temperatura
local, o padrão social dos moradores, assim como o desenvolvimento da cidade e a
perspectiva de crescimento futuro. Também influenciam no consumo as
características do sistema como pressão, vazão e a própria qualidade da água.
Comunidades que não dispõem de rede de coleta de esgoto tendem a inibir o
consumo por parte dos moradores, assim como a existência de medidores de água
e o valor da taxa cobrada. A tabela 1 apresenta o consumo médio per capita, em
função do tipo de edificação.
Tabela 1 – Estimativa de consumo diário de água
EDIFÍCIO CONSUMO (l/dia)
alojamento provisório 80 "per capita"
apartamento 200 "per capita"
asilo, orfanato 150 "per capita"
cinema e teatro 2 por lugar
edifício público, comercial ou com escritórios 50 "per capita"
escola - externato 50 "per capita"
escola - internato 150 "per capita"
escola - semi-internato 100 "per capita"
garagem 50 por automóvel
hospital 250 por leito
hotel (s/cozinha e s/lavand) 120 por hóspede
jardim 1,5 por m² de área
lavanderia 30 por kg roupa seca
mercado 5 por m² de área
quartel 150 "per capita"
residência popular ou rural 120 "per capita"
residência 150 "per capita"
restaurante e similares 25 por refeição
Fonte: Ilha e Gonçalves (2009), adaptada pelos autores.
Segundo Azevedo Netto e Fernández y Fernandez (2017), para projetos e
planos diretores, normalmente se adota no Brasil um consumo per capita de
200l/habitantes/dia. Porém, observou-se em várias cidades que a média da
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demanda efetiva, quando não se considera as perdas, é 25% menor, e em alguns
estados se adota uma demanda de até 135l/habitante/dia.
Quanto ao cálculo da população, segundo Tsutiya (2006), são diversos os
métodos existentes para estimar o crescimento populacional, dentre todos se
destacam: o método dos componentes demográficos, considerando variáveis
demográficas como fecundidade, mortalidade, imigração, sempre tomando como
base tendências passadas naquela região; há também o método da extrapolação
gráfica, que é ideal para estimar populações em longos períodos, este método
consiste em uma curva arbitrária que vai se ajustando através de dados levantados
em comunidades semelhantes à estudada; e, por fim, os métodos matemáticos, que
estimam a população através de cálculos matemáticos, tendo como base
parâmetros e dados já conhecidos como a população dos anos anteriores. Dentre os
métodos matemáticos, destacam-se o aritmético e o geométrico, conforme as
equações 1 e 2.
Aritmético:
(equação 1)
Geométrico:
(equação 2)
Onde:
= População a ser estimada para o ano futuro
= População inicial
= População atual
= Tempo final
= tempo inicial
= Tempo atual
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Para Tsutiya (2006), tanto em obras de abastecimento de água quanto nas de
esgotamento, deve-se atentar durante a concepção do projeto para que o sistema
venha atender a uma população sempre maior que a atual, geralmente adota-se um
horizonte de projeto que varia entre 20 e 30 anos, porém, o mais comum é adotar 20
anos. Essa medida é necessária para acompanhar o crescimento demográfico da
região, pois, com o tempo, é natural que a população se modifique, tanto no
crescimento populacional, quanto nos hábitos locais, devido ao aumento de renda
dos moradores ou ao crescimento do comércio e da indústria local, tudo isso gera
um aumento na demanda do consumo de água.
Dessa forma, o consumo diário total ( ) de uma região pode ser obtido,
basicamente, multiplicando o consumo médio per capita ( ) pela população ( ) a
ser atendida, em litros por dia, conforme mostra a equação 3:
(equação 3)
Segundo Porto (2006), a vazão de projeto de uma rede de distribuição deve
ser dimensionada pela equação 4:
(equação 4)
Ainda de acordo com Porto (2006), o valor de 3.600 corresponde à
quantidade de segundos que contém em uma hora e ( ) é o número de horas que o
sistema estará em funcionamento, tal aplicação faz-se necessária para transformar a
unidade de medida de litros por dia (L/dia) para litros por segundo (L/s), que é mais
usual em medidas de vazão.
Os coeficientes de majoração ( são utilizados para compensar o dia e
a hora de maior consumo respectivamente, devido à impossibilidade de se
determinar com exatidão a vazão de projeto, já que se trata de uma estimativa, haja
vista os vários fatores que podem influenciar o consumo, como mencionados mais
acima. Os valores de e podem variar de acordo com o porte do projeto e as
características do local a ser atendido, mas normalmente atribui-se o valor de 1,2
para , já o coeficiente adota-se um valor de 1,5 (TSUTIYA, 2006).
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3 ESTUDO DA CONCEPÇÃO DE UM SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA
Os investimentos necessários para a construção de um sistema de
abastecimento de água são bastante elevados, o que leva à necessidade de um
estudo bastante aprofundado, pois normalmente trata-se de obras complexas, que
depende de vários fatores técnicos, sociais e ambientais, em que um erro cometido
pode elevar os custos do empreendimento, chegando ao ponto de inviabilizar o
projeto.
De acordo com Tsutiya (2006), “[...] No conjunto de atividades que constitui a
elaboração de um projeto de sistema de abastecimento de água, a concepção é
elaborada na fase inicial do projeto” (TSUTIYA, 2006, p. 9). Em um projeto de
sistema de abastecimento de água, a parte que trata da concepção é fundamental
para auxiliar o projetista na tomada de decisões, analisando o melhor caminho, por
essa razão a concepção deve ser o primeiro passo dado quando se deseja construir
um empreendimento desse porte.
3.1 Unidades que compõem um sistema de abastecimento de água
Para Azevedo Netto e Fernández y Fernandez (2017), entende-se como
sistema de abastecimento de água o conjunto de equipamentos, obras e serviços,
destinados a fornecer água potável às unidades consumidoras, com qualidade e
quantidade adequadas, atendendo aos requisitos necessários para o fornecimento a
que se destina.
Para que seja compreendido todo o processo, desde a capitação da água
passando pelo tratamento, até chegar ao ponto de entrega, o sistema deve ser
dividido em etapas. De um modo geral, um sistema de abastecimento de água é
composto, basicamente, pelas seguintes unidades, conforme ilustra a figura 1.
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Figura 1 – Sistema de abastecimento de água
Fonte: Tsutiya (2006).
3.2 Manancial
É o corpo de água superficial ou subterrâneo que oferece todas as condições
satisfatórias para a retirada e para o fornecimento de água do ponto de vista
sanitário e econômico, devendo oferecer vazão suficiente para atender a demanda
de projeto, mesmo nos períodos de estiagem (TSUTIYA, 2006).
Azevedo Netto e Fernández y Fernández (2017) informam que, quanto à sua
classificação, os mananciais se dividem em dois principais grupos: o subterrâneo,
que se entende como todo aquele cuja água provenha do subsolo, através de
galerias, fontes, poços, etc.; e o superficial, disponível em córregos, lagos, rios,
represas, etc.
Segundo Tsutiya (2006), ao selecionar o manancial, deve-se realizar todo um
levantamento, analisando os possíveis mananciais da região, que sozinhos ou
agrupados apresentem condições satisfatórias para atender a demanda máxima,
observando-se o horizonte de projeto. Para escolha correta dos mananciais, devem
ser observados os seguintes fatores: a quantidade e a qualidade da água, a
distância entre o manancial e os pontos de consumo, bem como se o manancial
permite a instalação dos equipamentos de capitação.
Nem sempre a água bruta disponível nos mananciais atende aos requisitos
mínimos de potabilidade, principalmente as águas superficiais, o que torna
necessário a coleta de amostras para exames físico-químico e bacteriológico. Essa
análise se faz necessária para avaliar os custos com o tratamento dessa água, pois
estes valores são repassados ao consumidor e se muito elevados pode inviabilizar a
utilização do manancial.
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3.3 Captação
A captação é o conjunto de obras, equipamentos e acessórios instalados
junto ao manancial com a finalidade de abastecer o sistema. Para a elaboração do
projeto de captação de águas superficiais, deve-se realizar uma análise das
condições locais do manancial para a implantação das obras, levando-se em
consideração os métodos construtivos necessários para a instalação dos
equipamentos que irão compor o sistema, inclusive os custos com desapropriações
e a disponibilidade de energia elétrica para alimentar as bombas da estação
elevatória (AZEVEDO NETTO; FERNÁNDEZ Y FERNÁNDEZ, 2017).
Em sistemas de captação de águas superficiais, é comum a construção de
barragens para regularizar a vazão do sistema. Para tanto, faz-se necessário o
estudo hidrológico da bacia, e, assim, conhecer a variação do nível de água do
manancial. O estudo hidrológico também avalia o período de retorno de enchentes,
tendo em vista a prevenção com problemas de inundações (TSUTIYA, 2006).
3.4 Adução
A adução é a canalização responsável pelo transporte de água entre as várias
etapas do sistema. Para Tsutiya (2006, p. 155), “[...] adutoras são canalizações do
sistema de abastecimento de água que conduzem a água para as unidades que
precedem a rede de distribuição”. Esse transporte ocorre por meio de
bombeamento ou por gravidade, dependendo da concepção adotada, levando-se
em conta a topografia do terreno.
As adutoras e subadutoras se classificam de duas formas: quanto à natureza
da água transportada, que pode ser denominada de água bruta e água tratada, ou
em função da energia utilizada para realizar o transporte da água, denominada de
adutora por gravidade, recalque ou mista (AZEVEDO NETTO; FERNÁNDEZ Y
FERNÁNDEZ, 2017).
O dimensionamento das adutoras depende da vazão de projeto, que varia em
função de fatores como a população, o consumo per capita, mas, sobretudo, varia
principalmente em relação à sua posição no sistema de abastecimento de água
(TSUTIYA, 2006). Dessa forma, a equação 4 sofre algumas alterações dependendo
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da posição da adutora. Nas etapas em que estão a montante da rede de
distribuição, o coeficiente pode ser dispensado, em sistemas destinados a
abastecer regiões com indústrias ou qualquer outro tipo de consumo especial, este
deve ser somado à equação 4, assim como as etapas que antecedem a estação de
tratamento devem levar em conta o consumo da Estação de Tratamento de Água
(ETA).
3.5 Sistema elevatório
Um sistema elevatório é formado pelo conjunto de bombas, tubulações e
acessórios, montado com a finalidade de aplicar energia a um líquido (como a água,
por exemplo) e assim transportá-lo de uma cota inferior para uma cota superior
(PORTO, 2006).
Um sistema elevatório, ou recalque, é composto basicamente por três partes,
a sucção, que é formada pela tubulação e pelos acessórios que ligam a bomba ao
líquido que será recalcado; o próprio conjunto elevatório, composto pelas bombas e
seus respectivos motores, que normalmente são movidos à eletricidade; e a
tubulação de recalque, destinada a conduzir o líquido até o ponto a que se destina
(PORTO, 2006).
Quanto ao conjunto motor bomba, quando o nível da lâmina de água a ser
recalcada estiver acima do eixo da bomba, diz-se que a instalação é com rotor
afogado, quando o nível da lâmina d’água está abaixo, nesse caso é rotor não
afogado. Nas instalações com rotor não afogado, muito cuidado deve-se ter para
evitar o efeito da cavitação, que consiste no aumento excessivo da pressão no
sistema, atingindo a pressão de vapor do líquido, cujo efeito provoca bolhas de ar
que estouram no conjunto, comprometendo seriamente o funcionamento e até
mesmo a integridade do equipamento. “A cavitação, uma vez estabelecida em uma
instalação de recalque, acarreta queda de rendimento da bomba, ruídos, vibrações e
erosão, o que pode levar até ao colapso do equipamento.” (PORTO, 2006, p. 154).
3.6 Tratamento (ETA)
Segundo Azevedo Netto e Fernández y Fernández (2017), as águas dos
mananciais quase sempre não atendem os padrões de potabilidade para o consumo
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humano do ponto de vista físico-químico e microbiológico, necessitando de
tratamento para adequá-las aos padrões exigidos. Este tratamento é realizado em
estruturas denominadas Estações de Tratamento de Água (ETAs).
Na estação de tratamento (ETA), a água passa por diversas etapas, tornando-
a potável. A quantidade de etapas depende da qualidade da água bruta. Conforme
Azevedo Netto e Fernández y Fernández (2017), as ETAs convencionais são
constituídas por diversas unidades, sendo que as principais são: o
micropeneiramento, para a remoção de sólidos em suspensão na água; a aeração
para a remoção de gases dissolvidos como o CO2 e o H2S; a coagulação e a
floculação, que consistem em aglutinar as partículas finas em suspensão, deixando-
as com uma consistência gelatinosa, como flocos, onde serão removidos na etapa
de sedimentação/decantação, para, em seguida, passar por camadas porosas
(normalmente areia), a fim de reter as impurezas remanescentes, para então seguir
para etapa de desinfecção, que é uma medida de correção, sendo o material
empregado, em 99% dos casos, o cloro.
Para Azevedo Netto e Fernández y Fernández (2017), deve-se ter a ressalva
de que nem sempre são necessárias todas essas etapas, pois vai depender da
qualidade da água do manancial e dos riscos de contaminação do mesmo. Em geral,
as águas dos mananciais superficiais são mais vulneráveis. Nos mananciais
subterrâneos, por sua vez, as camadas do solo já servem como filtros para reter boa
parte das impurezas, por esta razão não necessita de todas essas etapas, bastando,
na maioria das vezes, adicionar uma quantidade adequada de cloro, no seu
armazenamento, para garantir a sua potabilidade.
3.6 Reservação
Dentro de um sistema de abastecimento de água, a reservação tem como
principais objetivos garantir o fornecimento de água nas etapas posteriores ao
reservatório, pelo tempo mínimo possível, em casos de eventuais manutenções nas
etapas a montante, assim como regular a pressão nas etapas a jusante. Precisa
também manter o fornecimento de água nos horários de maior consumo, garantindo
o abastecimento no sistema, em que se faça necessário o desligamento das bombas
de recalque no horário de ponta, pois a tarifa de energia cobrada nesses horários é
mais elevada (AZEVEDO NETTO; FERNÁNDEZ Y FERNÁNDEZ, 2017).
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Os reservatórios devem ser instalados, aproveitando-se ao máximo a
topografia do terreno, de maneira que ele possa cumprir as exigências mínimas de
pressão e vazão na rede. Podem ser construídos elevados, enterrados,
semienterrados ou apoiados no terreno, a montante ou a jusante da rede de
distribuição. Quanto ao formato, não há nenhuma recomendação construtiva, fica a
critério do projetista, desde que mantenha a qualidade da água e que o volume seja
suficiente para atender a demanda (TSUTIYA, 2006).
Azevedo Netto e Fernández y Fernández (2017) afirmam que, para o correto
dimensionamento de um reservatório, a demanda de consumo diário é o principal
fator, considerando o horizonte de projeto no dia de maior consumo, levando-se em
consideração também outros fatores, tais como: a reserva de incêndio, situações
emergenciais como reparos nas etapas anteriores a reservação, horários de maior
consumo, etc. Ainda de acordo com Azevedo Netto e Fernández y Fernández
(2017), o volume total de um reservatório em um sistema de abastecimento de água
pode ser determinado da seguinte maneira:
No caso de reservatórios elevados (torres), por medida econômica, é comum usar o dimensionamento na base de 1/10 (10%) a 1/8 (12,5%) até 1/5 (20%) do volume distribuído em 24 horas no setor de influência. (AZEVEDO NETTO, FERNÁNDEZ Y FERNÁNDEZ, 2017, p. 430).
Tsutiya (2006) também afirma que, para reservatórios elevados, é comum
adotar-se valores entre 10% e 20% do volume total diário, devido aos custos para a
construção desses reservatórios.
3.7 Rede de distribuição
De acordo com Tsutiya (2006), redes de distribuição podem ser
compreendidas como: “[...] a parte do sistema de abastecimento formada de
tubulações e órgãos acessórios, destinada a colocar água potável à disposição dos
consumidores, de forma contínua, em quantidade e pressão recomendadas.”
(TSUTIYA, 2006, p. 389).
Os condutos de uma rede de distribuição classificam-se como principais e
secundários. Os condutos secundários são responsáveis por abastecer os
consumidores; e os principais, que possuem diâmetros maiores, são responsáveis
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pela alimentação e distribuição da rede. “De acordo com a disposição dos condutos
principais e o sentido do escoamento nas tubulações secundárias, as redes são
classificadas como rede ramificada e rede malhada.” (PORTO, 2006, p. 169).
A principal diferença entre as redes ramificadas e malhadas é que as redes
ramificadas admitem somente um sentido para o fluxo de água, sendo ideal para
atender pequenos empreendimentos, devido a sua baixa complexidade para
dimensionamento. Porém, apresenta um sério inconveniente, pois, em caso de
manutenção no sistema, dependendo do ponto, faz-se necessária a interrupção do
fornecimento de água a jusante, o que não ocorre com a rede malhada devido seu
traçado em forma de anéis, a interrupção em ponto dificilmente interfere nos demais
(PORTO, 2006). A figura 2 mostra a diferença entre ambos os tipos de rede.
Figura 2 – Exemplo de rede ramificada e rede malhada
Fonte: Elaborada pelos autores (2019).
A própria NBR 2218/94 define parâmetros que devem ser respeitados para o
correto dimensionamento de uma rede de distribuição, como o diâmetro mínimo de
50mm e os limites máximos e mínimos de pressão na rede, que são
respectivamente 50mca, para a pressão máxima estática, e 10mca para pressão
dinâmica mínima. Ela também delimita as velocidades mínimas e máximas na rede
entre 0,6m/s e 3,5m/s.
4 PARÂMETROS HIDRÁULICOS PARA REDES RAMIFICADAS
Redes ramificadas são bastante utilizadas para atender o fornecimento de
água em pequenas localidades e em sistemas de irrigação. Para o correto
dimensionamento de uma rede de abastecimento de água do tipo ramificada, é
necessário conhecer conceitos básicos da hidráulica e suas respectivas equações,
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inerentes a este tipo de sistema. Para que se possa dar continuidade a este estudo,
tais conhecimentos são indispensáveis.
4.1 Cálculo de vazão
A vazão ( ) pode ser compreendida como a quantidade de massa, de
determinado fluido, que passa por um ponto em um dado tempo, em outras palavras
vazão é o volume ( ), dividido pela variação de tempo ( ) a ser considerado,
conforme mostra a equação 5:
(equação 5)
Outra maneira de se determinar a vazão é através da equação 6, onde se
define a mesma como o produto entre a velocidade ( ) e a área ( ) da secção do
conduto por onde atravessa o fluido.
(equação 6)
4.2 Equação da continuidade
Segundo Coelho e Baptista (2014), a equação da continuidade é uma
consequência do princípio de conservação da massa, pois a mesma não pode ser
destruída ou mesmo criada, apenas transformada, ou seja, a vazão que entra em
um lado do tubo, obrigatoriamente, será a mesma vazão que irá sair do outro lado
deste tubo. Em outras palavras, pode-se dizer que a massa do líquido não se perde
dentro do tubo, ela será sempre a mesma durante o escoamento, como demonstra a
equação 7:
(equação 7)
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4.3 Equação da energia de Bernoulli
Assim como a equação da continuidade é uma consequência da conservação
da massa, a equação de Bernoulli é uma consequência da conservação de energia.
A energia disponível em um dado ponto é composta pelo somatório de três cargas
de energia por unidade de peso. Como mostra a equação 8:
(equação 8)
Onde:
= energia total (m)
= carga de pressão (m)
= energia potencial (m)
= carga de energia cinética (m)
A forma geral de expressar a energia disponível em dois pontos de um
conduto, dado um fluido incompressível em regime permanente, é apresentada na
equação 9:
(equação 9)
Da equação 9, pode-se deduzir que a energia disponível no ponto 1 é igual a
energia disponível no ponto 2, mais a perda de carga ( ) entre os pontos 1 e 2.
Segundo Porto (2006), levando-se em conta que cada parcela de energia tem
como unidade de medida o metro, admite-se então uma interpretação geométrica do
sistema, de efeito bastante prático para compreensão. Conforme ilustra a figura 3:
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Figura 3 – Linha de energia e linha piezométrica
Fonte: Guia da Engenharia (2019)3.
Em sistemas como adutoras e redes de distribuição, normalmente despreza-
se a parcela ( ), que corresponde à carga de energia cinética, levando-se em conta
somente a soma das parcelas ( ), denominado cota piezométrica, que pode ser
compreendida como o nível alcançado pelo líquido dentro da tubulação, se
instalados piezômetros ao longo do percurso, ao qual representa a energia potencial
do líquido atuando no sistema devido ao efeito da gravidade.
4.4 Perda de carga
Para Coelho e Baptista (2014), a perda de carga é a parcela de energia
perdida durante o escoamento em forma de calor, devido ao atrito do líquido com a
parede do conduto, ou pela mudança interna de energia no próprio líquido, devido à
viscosidade, turbulência, etc. Sendo que esta energia, uma vez perdida, não pode
mais ser recuperada em forma de energia cinética ou potencial.
De acordo com Coelho e Baptista (2014), além da energia perdida ao longo
da tubulação, denominada perda de carga contínua, há também aquela que se
perde nas conexões, nas curvas, nos registros e etc., as chamadas perdas de carga
localizadas, que se somam às contínuas para formar a perda de carga total.
Em algumas instalações, como as prediais, a perda de carga localizada é
mais considerável que a contínua, devido à enorme quantidade de curvas e
conexões, o que não ocorre em instalações de grandes dimensões, como as
adutoras e redes de distribuição, onde o comprimento e o diâmetro das tubulações
3 Disponível em: <https://www.guiadaengenharia.com/equacao-bernoulli-teoria/>. Acesso: 05 out. 2019.
18
são relativamente bem maiores do que em instalações hidrossanitárias. Nestes
casos, as perdas de carga localizadas podem ser desconsideradas para efeito de
cálculo (COELHO; BAPTISTA, 2014).
O escoamento é a principal condição para que haja perda de carga, que
também depende de outros fatores, tais como: a viscosidade e o regime de
escoamento do líquido, como das dimensões e do material. A equação geral da
perda de carga é mostrada abaixo, através da equação 10, onde a perda de carga
unitária ( ) que ocorre em cada metro de tubo é a razão entre a perda de carga total
( ) dividida pelo comprimento ( ) deste tubo, medida normalmente em m/m.
(equação 10)
4.5 Equação de Hazen-Williams
Segundo Porto (2006), das equações empíricas desenvolvidas ao longo da
história, a de Hazen-Williams é a que mais tem aceitação entre os profissionais,
devido ao sucesso dos resultados obtidos. De acordo com Coelho e Baptista (2014),
a equação de Hazen-Williams é bastante empregada para a determinação da perda
de carga em condutos destinados somente ao transporte de água, e com diâmetro
mínimo de 50mm. O coeficiente de perda de carga ( ) depende do material que foi
empregado na fabricação do conduto, pois leva em consideração a sua rugosidade,
que entrará em atrito com a água durante o escoamento. A tabela 2 apresenta o
coeficiente de perda de carga em função do material do conduto. A equação 11
apresenta a fórmula de Hazen-Williams:
(equação 11)
Da equação 11, tem-se o ( ) como a vazão que passa pelo tubo e ( )
corresponde ao diâmetro. Já o coeficiente ( ) diz respeito às características do
material empregado na fabricação do tubo, levando-se em conta sua rugosidade e o
tempo de uso. De acordo com Porto (2006), a tabela 3 apresenta os valores dos
coeficientes de rugosidade ( ) para os materiais mais empregados.
19
Tabela 3 – Valores do coeficiente C para a equação de Hazen-Williams
Aço corrugado (chapa ondulada) C=60 Aço com juntas lock-bar, tubos novos 130
Aço com juntas lock-bar, sem serviço 90 Aço galvanizado 125
Aço rebitado, tubos novos 110 Aço rebitado, em uso 85
Aço soldado, tubos novos 130 Aço soldado, em uso 90
Aço soldado, com revestimento especial 130 Cobre 130
Concreto, bom acabamento 130 Concreto, acabamento comum 120
Ferro fundido, novos 130 Ferro fundido, após 15-20 anos de uso 100
Ferro fundido, usados 90 Ferro fundido, Revestido de cimento 130
Madeiras em Aduelas 120 Tubos extrudados, P.V.C. 150 Fonte: Porto (2006).
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
O sucesso do dimensionamento de uma rede de distribuição depende,
inicialmente, do estudo da população a ser atendida pelo sistema. Analisa-se,
também, as condições topográficas do local, para então, traçar as diretrizes e adotar
a concepção mais favorável para o bom funcionamento da rede.
Segundo dados do IBGE, de acordo com o último senso, realizado em 2010,
a cidade de Esperantina, localizada na região Norte do estado do Piauí, contava
com uma população de 37.767 habitantes e a estimativa para o ano de 2019 é de
39.737 habitantes. De posse desses dados, e aplicando-os nas equações 1 e 2,
têm-se os resultados apresentados tabela 4, e comparando o resultado dos dois
métodos (aritmético e geométrico), chega-se aos resultados apresentados na tabela
4:
Tabela 4 – Cálculo da população
ANO POPULAÇÃO
T1 2010 P1 37.767
T2 2019 P2 39.737
T 2039 Horizonte projeto 20 anos
MÉTODO POPULAÇÃO Taxa de cresc.
Ao ano
ARITMÉTICO 44.115 hab. 0,58% ao ano
GEOMÉTRICO 41.810 hab. 0,37% ao ano Fonte: Elaborada pelos autores (2019).
20
Na tabela 4, tem-se a comparação entre os dois métodos matemáticos
(aritmético e geométrico). De acordo com os resultados obtidos, é possível observar
que a taxa de crescimento anual, pelo método aritmético, é superior ao geométrico.
Para estimar, a população a ser atendida no povoado Chapada de São Miguel, em
um horizonte de projeto de 20 anos, toma-se como referência a taxa de crescimento
pelo método aritmético, que é de 0,58%. Multiplicando-se esse resultado por 20
anos (horizonte de projeto), tem-se um crescimento estimado de 11,6%. Atualmente,
a comunidade conta com 168 famílias, que serão atendidas pela rede de
abastecimento, com uma média de quatro pessoas por habitação, dando um total de
672 pessoas, aproximadamente. Aplicando-se neste valor a taxa de crescimento de
11,6%, obtêm-se uma população estimada em 749,95 habitantes, arredonda-se
então para 750 habitantes. Essa é a estimativa para o ano de 2039.
Determinada a população, define-se o consumo de água per capita, que, de
acordo com a tabela 1, corresponde a 120 L/hab.dia, em uma residência rural.
Tomando como 1,2 e igual a 1,5, também se levando em conta que o sistema
terá um funcionamento de 24 horas por dia, basta aplicar os dados na equação 4 e
obter a vazão total na rede de distribuição.
Para o dimensionamento de uma rede de distribuição do tipo ramificada,
como é o caso desse estudo, é importante que o faça através de planilhas em Excel,
com as células condicionadas nas fórmulas das vazões, pressões e perdas de
cargas em cada trecho/ponto da rede, obedecendo a uma sequência para facilitar os
cálculos (PORTO, 2006).
O anexo B mostra a planilha 5, que será adotada neste trabalho e o anexo C
apresenta a mesma planilha devidamente preenchida. De acordo com Porto (2006),
o dimensionamento de uma rede de distribuição do tipo ramificado pode ser obtido
seguindo o passo a passo abaixo:
O primeiro passo, para o preenchimento da planilha, é definir os trechos de
acordo com o traçado da rede. O anexo A mostra a planta da comunidade com o
traçado da rede e seus respectivos pontos já definidos, partindo do reservatório até
o final da rede de distribuição. Os trechos são preenchidos na coluna 1, conforme
mostra o anexo C.
O próximo passo é preencher o comprimento de cada trecho na coluna 2,
anexo C, assim como a cota topográfica de cada ponto, a montante e a jusante do
trecho, nas colunas 11 e 12, no mesmo anexo.
21
Em seguida, definem-se as vazões de montante, jusante, distribuída e fictícia
em cada trecho, nas colunas 3, 4, 5, 6 respectivamente. Obedecendo aos seguintes
passos:
• Determina-se a vazão de distribuição em marcha ( ), dividindo a vazão total da
rede ( ), pelo comprimento total da rede ( ), que conforme o anexo C, coluna 2,
linha 12 é de 2.401,88m. A equação 12 apresenta a fórmula da vazão em marcha:
(equação 12)
• Em seguida, define-se a vazão distribuída ( ), em cada trecho, multiplicando a
vazão em marcha ( ) pelo comprimento do trecho ( ) correspondentes. Considera-
se como ponta seca, ou seja, vazão de jusante ( ) igual a zero, os trechos finais da
rede, onde a vazão de montante ( ) deverá ser igual a vazão distribuída.
Conforme a relação abaixo, na equação 13:
(equação 13)
• Em um nó, a vazão de jusante de um trecho que chega será a soma das vazões
de montante dos trechos que saem desse nó, ou vice-versa.
• Para o dimensionamento das perdas de carga e, consequentemente, das
pressões, faz-se necessário definir a vazão fictícia ( ) em cada trecho. A maioria
das literaturas apresentam a definição de vazão fictícia como a média aritmética
entre as vazões de montante e jusante. Nos trechos cuja vazão de jusante é igual a
zero (ponta seca), a vazão fictícia pode ser determinada dividindo a vazão de
montante do trecho pela raiz quadrada de 3. Como mostram as equações 14 e 15
abaixo:
(equação 14)
e
(equação 15)
22
Na coluna 6, deve-se inserir o diâmetro da tubulação de cada trecho, que é
dimensionado através da vazão de montante, pela equação 6, obedecendo aos
limites máximos e mínimos de velocidade na rede que são 3,5m/s e 0,6m/s e o
diâmetro mínimo de 50mm, conforme orienta a NBR 2218/1994. De acordo com
Tsutiya (2006), outra maneira de se dimensionar o diâmetro é através da fórmula
empírica de Porto (1998). Conforme mostra abaixo a equação 16:
(equação 16)
Onde:
= Velocidade máxima na rede
= Diâmetro do trecho
A perda de carga unitária ( ), coluna 9, é dimensionada através da equação
11 (fórmula de Hazen-Williams para perda de carga), aplicando a vazão fictícia e o
diâmetro do trecho, com um coeficiente ( ) de perda de carga igual a 150, conforme
tabela 3 (tubos extrudados, PVC). Para dimensionar a perda de carga total, na
coluna 10, basta multiplicar a perda de carga unitária pelo comprimento do trecho,
de acordo com a equação 10.
As cotas piezométricas de montante e de jusante, colunas 13 e 14, a equação
17 mostra como essas grandezas se relacionam:
(equação 17)
Onde:
= Cota piezométrica de montante
= Cota piezométrica de jusante
= Perda de carga entre montante e jusante
Nas colunas 15 e 16, têm-se as pressões disponíveis em cada ponto, que
podem ser dimensionadas através das equações 18 e 19, de acordo com as
relações abaixo:
23
(equação 18)
e
(equação 19)
Onde:
= Pressão disponível a montante
= Cota geométrica a montante
= Pressão disponível a jusante
= Cota geométrica a jusante
O anexo C apresenta a tabela 5 devidamente preenchida, conforme o passo a
passo acima apresentado. De acordo com os resultados obtidos, verifica-se que a
rede de distribuição, para atender a comunidade rural, deverá compor de uma
tubulação em PVC com 50mm de diâmetro em toda a sua extensão. O comprimento
total da rede, somando-se todos os trechos onde haverá distribuição em marcha, é
de 2.401,88m com uma pressão dinâmica mínima de 10mca no ponto 9 (o mais
desfavorável), localizado na cota 112,10m. No ponto 8, conta 108,90m, tem-se a
pressão máxima disponível na rede, que é de 12,793mca, muito abaixo da pressão
máxima permitida por norma de 50mca. Para atender a condição mínima de pressão
na rede, o reservatório de água, localizado no ponto 1, cota 113,71m, deverá ser
instalado a uma altura mínima de 14,588m.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
A comunidade rural Chapada de São Miguel sempre sofreu com a deficiência
no acesso à água potável. Face ao problema exposto, tem-se que a instalação de
um sistema de distribuição de água, utilizando o chafariz para abastecer a rede,
aliviará os problemas enfrentados diariamente pelos membros daquela região.
A partir dos estudos desenvolvidos, por meio deste trabalho, foi possível
observar que, além da instalação da rede de distribuição, faz-se necessário elevar o
reservatório em 11,088m, pois o atual encontra-se a uma altura de 3,50m e a altura
mínima, de acordo com o dimensionamento, é de 14,588m, necessitando também
de um sistema de acionamento automático para a bomba de recalque, para garantir
24
o funcionamento contínuo do sistema, pois, atualmente, o chafariz conta com
acionamento manual.
O reservatório instalado no chafariz compõe um volume total de 20.000 litros
de água, sendo o suficiente para atender a demanda, pois, como mencionado
anteriormente, de acordo com Tsutiya (2006), para reservatórios elevados (torres),
adota-se um volume entre 10 e 20% do consumo diário.
Em análise aos estudos realizados, concluiu-se que é possível garantir o
mínimo de conforto e qualidade de vida para os moradores daquela comunidade,
Com um sistema relativamente simples e viável, oferecendo um fornecimento de
água seguro e eficaz, de acordo com os parâmetros mínimos de pressão e vazão
recomendados pelas normas vigentes. Propiciando, com isso, um significativo
impacto na prevenção de doenças associadas ao uso inadequado da água, assim
como a redução da mortalidade infantil e dos custos com cuidados médicos;
promovendo, dessa forma, os avanços socioeconômicos necessários para aquela
região.
REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12211: Estudos de concepção de sistemas públicos de abastecimento de água – Procedimento. Rio de Janeiro, 1992. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12212: Projeto de poço para captação de água subterrânea – Procedimento. Rio de Janeiro, 1992. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12213: Projeto de captação de água de superfície para abastecimento públicos – Procedimento. Rio de Janeiro, 1992. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12214: Projeto de sistema de bombeamento de água para abastecimento público – Procedimento. Rio de Janeiro, 1992. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NB-591: projeto de adutora de água para abastecimento – Procedimento. Rio de Janeiro, 1991. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12216: Projeto de estação de tratamento de água pra abastecimento público – Procedimento. Rio de Janeiro, 1992.
25
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12217: Projeto de reservatório de distribuição de água para abastecimento – Procedimento. Rio de Janeiro, 1994. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12218: Projeto de rede de distribuição de água para abastecimento – Procedimento. Rio de Janeiro, 1994. AZEVEDO NETTO, José Martiniano de; FERNÁNDEZ, Miguel Fernández y. Manual de Hidráulica. 9. ed. São Paulo: Blucher, 2017. BAPTISTA, Márcio Benedito; COELHO, Márcia Maria Lara Pinto. Fundamentos de Engenharia Hidráulica. 3. ed. Belo Horizonte: Editora UFMG, 2014. HELLER, Léo; PÁDUA, Valter Lúcio de. Abastecimento de Água para Consumo Humano. 2. ed. Belo Horizonte: Editora UFMG, 2010. PORTO, Rodrigo de Melo. Hidráulica Básica. 4. ed. São Paulo: EESC-USP, 2006. TSUTIYA, Milton Tomoyuki. Abastecimento de Água. 3. ed. São Paulo: Departamento de Engenharia Hidráulica e Satinária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, 2006. VICTORINO, Célia Jurema Aito. Planeta Água Morrendo de Sede uma Visão Analítica na Metodologia do Uso e Abuso dos Recursos Hídricos. 1. ed. Porto Alegre: EDIPURS, 2007.
ANEXO B
TABELA DE DIMENSIONAMENTO DE REDE DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
TRECHO
COMPRIMENTO (m)
VAZÃO (L/s) D (mm)
VELOCIDADE (m/s)
J(m/m) PERDA DE
CARGA (m)
COTA (m) COTA
PIEZOMÉTR. (m)
PRESSÃO (m)
Qm Qj Qd Qf Zm Zj CPm CPj Pm Pj
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12 TOTAL
ANEXO C
TABELA DE DIMENSIONAMENTO DE REDE DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA PREENCHIDA
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
TRECHO
COMPRIMENTO (m)
VAZÃO (L/s) D (mm)
VELOCIDADE (m/s)
J(m/m) PERDA DE
CARGA (m)
COTA (m) COTA
PIEZOMÉTR. (m)
PRESSÃO (m)
Qm Qj Qd Qf Zm Zj CPm CPj Pm Pj
1 1 a 2 182,34 1,875 1,7327 0,1423 1,8038 50 0,955414 0,01826 3,32997 113,71 112,61 128,268 124,94 14,558 12,328
2 2 a 3 84,24 1,5573 1,4915 0,0658 1,5244 50 0,79353 0,01338 1,1268352 112,61 112,23 124,938 123,81 12,328 11,581
3 2 a 11 224,63 0,17535 0 0,1754 0,1012 50 0,089353 8,9E-05 0,0199056 112,61 112,93 124,938 124,92 12,328 11,988
4 3 a 4 107,93 1,27593 1,1917 0,0843 1,2338 50 0,650156 0,00904 0,9762113 112,23 111,75 123,811 122,83 11,581 11,085
5 3 a 12 276,2 0,21561 0 0,2156 0,1245 50 0,109866 0,00013 0,035874 112,23 111,16 123,811 123,78 11,581 12,615
6 4 a 5 130,34 0,97352 0,8718 0,1017 0,9226 50 0,49606 0,00528 0,6886335 111,75 110,58 122,835 122,15 11,085 11,566
7 4 a 10 279,46 0,21816 0 0,2182 0,126 50 0,111163 0,00013 0,037094 111,75 110,43 122,835 122,8 11,085 12,368
8 5 a 6 179,38 0,6361 0,4961 0,14 0,5661 50 0,324129 0,00214 0,3838892 110,58 109,37 122,146 121,76 11,566 12,392
9 5 a 9 301,89 0,23567 0 0,2357 0,1361 50 0,120085 0,00015 0,0462233 110,58 112,1 122,146 122,1 11,566 10
10 6 a 7 286,74 0,22384 0 0,2238 0,1292 50 0,114059 0,00014 0,0399148 109,37 110,21 121,762 121,72 12,392 11,512
11 6 a 8 348,73 0,27223 0 0,2722 0,1572 50 0,138717 0,0002 0,0697247 109,37 108,9 121,762 121,69 12,392 12,793
12 TOTAL 2.401,88
