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A BASTECIMENTO DE ÁGUA DE
EDIFÍCIOS ALTOS
SIMÃO PEDRO SAMPAIO DE OLIVEIRA LEITE
Dissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de
MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL — ESPECIALIZAÇÃO EM HIDRÁULICA
Orientador: Professor Doutor Mário Valente Neves
J ULHO DE 2008
M ESTRADO I NTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL 2007/
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
Tel. +351-22-508 1901
Fax +351-22-508 1446
Editado por
F ACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO
Rua Dr. Roberto Frias
4200-465 PORTO
Portugal
Tel. +351-22-508 1400
Fax +351-22-508 1440
Þ http://www.fe.up.pt
Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja
mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil -
2007/2008 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da
Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2008.
As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o
ponto de vista do respectivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer
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Autor.
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AGRADECIMENTOS
No culminar deste trabalho, desejo exprimir o meu reconhecimento às pessoas ou entidades, que das
mais variadas formas contribuíram para que fossem atingidos os objectivos propostos.
Gostaria de agradecer ao Professor Mário Valente Neves, por todo o apoio, acompanhamento,
disponibilidade e dedicação desde a definição das linhas orientadoras até a revisão dos conteúdos deste
trabalho. Queria agradecer por toda a ajuda, pelos ensinamentos, informação cedida, todos os
conselhos, e amizade.
Gostaria de agradecer ao Professor Joaquim Poças Martins pela disponibilidade, ajuda e conselhos no
desenvolvimento final do trabalho.
Agradeço à administração e técnicos da empresa NORAQUA, muito em especial à Engenheira
Patrícia Nunes e à Engenheira Nazaré, pela disponibilização de meios materiais, bem como pela
importante colaboração prestada.
Gostaria de agradecer a todos os amigos e colegas por toda a amizade, por todo o apoio e por me
darem forças para seguir em frente ao longo do decorrer da minha formação. Um agradecimento
especial ao Simão Portela, grande amigo e colega ao longo do meu percurso académico.
Por último, queria agradecer aos meus pais e irmãos, que sempre me estimularam e me deram forças
no decorrer da minha formação, em particular no ensino universitário, muitas das vezes abdicando
muito de si, para me proporcionar o tempo, espaço e o apoio moral necessários.
Os agradecimentos nominais têm o inconveniente de não incluírem todos os que colaboram, sob o
risco de tornarem este elemento numa longa lista. Se estes agradecimentos omitiram alguém, trata-se
apenas um lapso no papel, o autor tem bem presente o apoio e as valiosas contribuições de todos vós.
iii
RESUMO
É muito frequente que a rede pública de distribuição de água não consiga garantir pressão suficiente
para determinado edifício. Assim será necessária a utilização de uma solução, geralmente através de
uma central hidropneumática de velocidade fixa ou variável, para permitir o abastecimento da água em
todo o edifício com uma pressão suficiente em todas as utilizações de água.
Começou-se por estudar os diferentes tipos de tubagens utilizados para a construção da rede de
distribuição de água, analisando-se as características de cada um, bem como as suas vantagens e
inconvenientes.
Um dos objectivos era estudar o abastecimento de água num edifício alto, desenvolvendo uma
metodologia de cálculo para permitir a utilização do software EPANET, pois este programa permite a
realização de várias simulações, como estudo de pressões, a qualidade da água, tempo que a água
permanece nos tubos, etc. Antes de se proceder ao estudo no EPANET é necessário determinar os
caudais a que a rede irá estar sujeita e os diâmetros das tubagens. Foi necessário desenvolver uma
metodologia própria para simular a continuidade dos caudais nos nós, condição indispensável para a
utilização do programa.
Foi também realizado um estudo de centrais hidropneumáticas de velocidade fixa e velocidade
variável, em parte apoiado num programa de cálculo automático desenvolvido na disciplina de
Sistemas de Abastecimento de Água – Oliveira e Neves (2007).
Estudou-se a rede de distribuição de água para o piso mais elevado, primeiro em termos clássicos
considerando como caso de estudo um edifício de 12 pisos na cidade do Porto.
Fizeram-se depois simulações relativamente à perda de cloro no sistema predial, concluindo-se que em
certos casos poderá atingir 55%.
O programa foi também aproveitado para se analisar a sensibilidade às perdas de carga, tendo-se
incluído as perdas de carga localizadas e diferentes coeficientes de rugosidade dos tubos.
Finalmente faz-se uma análise económica dos custos de bombagem.
P ALAVRAS-C HAVE : Edifício alto, Central hidropneumática, Tubos, Água, EPANET.
iv
vi
vii
Í NDICE GERAL
AGRADECIMENTOS ................................................................................................................................... i
RESUMO ................................................................................................................................... iii
2. MATERIAIS DAS TUBAGENS – DESCRIÇÃO DOS
7. CASO DE ESTUDO 2 – EXPLORAÇÃO DE POTENCIALIDADES DO EPANET, TOMANDO COMO
x
xiii
- INTRODUÇÃO E OBJECTIVOS ABSTRACT v
- PREDIAIS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA MATERIAIS E DOS TIPOS DE INSTALAÇÕES EM REDES
- 2.1. I NTRODUÇÃO ....................................................................................................................................
- 2.2. T IPOS DE INSTALAÇÕES ..................................................................................................................
- 2.3. M ATERIAIS UTILIZADOS ...................................................................................................................
- 2.4. T UBO MULTI- CAMADA ......................................................................................................................
- 2.4.1. VANTAGENS : ....................................................................................................................................
- 2.4.2. D ESVANTAGENS : ............................................................................................................................
- 2.5. T UBO EM POLIETILENO RETICULADO DE ALTA DENSIDADE (PE- X) ............................................
- 2.5.1. VANTAGENS : ..................................................................................................................................
- 2.5.2. D ESVANTAGENS : ............................................................................................................................
- 2.6. T UBO EM POLIPROPILENO COPOLIMERO R ANDOM ( PP- R) .........................................................
- 2.6.1. VANTAGENS : ..................................................................................................................................
- 2.6.2. D ESVANTAGENS : ............................................................................................................................
- 2.7. T UBO EM POLI CLORETO DE VINIL (PVC) ....................................................................................
- 2.7.1. VANTAGENS : ..................................................................................................................................
- 2.7.2. D ESVANTAGENS : ............................................................................................................................
- 2.8. T UBO EM POLIETILENO DE ALTA DENSIDADE (PEAD) ................................................................
- 2.8.1. VANTAGENS : ..................................................................................................................................
- 2.8.2. D ESVANTAGENS : ............................................................................................................................
- 2.9. T UBO EM AÇO GALVANIZADO ........................................................................................................
- 2.9.1. VANTAGENS : ..................................................................................................................................
- 2.9.2. D ESVANTAGENS : ............................................................................................................................
- 2.10. T UBO EM AÇO INOXIDÁVEL .........................................................................................................
- 2.10.1. VANTAGENS : viii
- 2.10.2. D ESVANTAGENS :
- 2.11. T UBO EM COBRE
- 2.11.1. VANTAGENS :
- 2.11.2. D ESVANTAGENS :
- 2.12. CONCLUSÃO
- CENTRAIS HIDROPNEUMÁTICAS
- 3.1. CENTRAIS HIDROPNEUMÁTICAS COM BOMBAS DE VELOCIDADE FIXA
- 3.1.1. D IMENSIONAMENTO
- 3.1.1.1. Determinação do volume útil
- 3.1.1.2. Determinação do volume total
- 3.2. CENTRAIS HIDROPNEUMÁTICAS COM BOMBAS DE VELOCIDADE VARIÁVEL
- DE ÁGUA. UTILIZAÇÃO DO PROGRAMA EPANET 4. CÁLCULO HIDRÁULICO DA REDE DE ABASTECIMENTO
- 4.1. B ASES PARA O CÁLCULO HIDRÁULICO
- 4.2. METODOLOGIA PROPOSTA PARA A UTILIZAÇÃO DO PROGRAMA EPANET
- 4.2.1. PROGRAMA EPANET
- 4.2.1.1. Capacidades de Modelação Hidráulica
- 4.2.1.2. Capacidades de Modelação da Qualidade da Água
- 4.2.2. METODOLOGIA PROPOSTA NESTE TRABALHO
- 4.3. DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO
- 4.4. PERDAS DE CARGA
- 4.4.1. PERDAS DE CARGA CONTÍNUAS
- 4.4.2. PERDAS DE CARGA LOCALIZADAS
- DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA DE UM EDIFICIO DE 5. CASO DE ESTUDO 1 – DIMENSIONAMENTO DA REDE
- PISOS COM O PROGRAMA EPANET
- 5.1. DESCRIÇÃO DO SISTEMA
- 5.2. REDE DE DISTRIBUIÇÃO
- 5.2.1. ESTUDO DE UM DOS PISOS
- 5.2.2. ESTUDO DA COLUNA MONTANTE ...................................................................................................... ix
- 5.3. CENTRAL HIDROPNEUMÁTICA .......................................................................................................
- DISTRIBUIÇÃO PREDIAIS 6. QUALIDADE DA ÁGUA NOS SISTEMAS DE
- 6.1. L EGISLAÇÃO ..................................................................................................................................
- 6.2. REACÇÕES DE QUALIDADE DA ÁGUA ..........................................................................................
- 6.2.1. R EACÇÕES NO SEIO DO ESCOAMENTO .............................................................................................
- 6.2.2. R EACÇÕES NA PAREDE ...................................................................................................................
- CUSTOS DE BOMBAGEM EXEMPLO UM EDIFÍCIO DE 12 ANDARES: CLORO E
- 7.1. I NTRODUÇÃO ..................................................................................................................................
- 7.2. ANÁLISE DOS TEORES DE CLORO .................................................................................................
- 7.2.1. O EFEITO DO ARMAZENAMENTO .......................................................................................................
- 7.2.2. PERDA DE CLORO NA REDE DE DISTRIBUIÇÃO ...................................................................................
- 7.3. ANÁLISE DAS PERDAS DE CARGA .................................................................................................
- 7.4. CUSTOS DE BOMBAGEM ................................................................................................................
- SINTESES E CONCLUSÕES
- BIBLIOGRAFIA
- ANEXOS E PEÇAS DESENHADAS A.
- A.1. Caudais fictícios na rede de distribuição de um dos pisos: A.
- A.2. Caudais fictícios coluna montante: A.
- A.3. Plantas e alçados: A.
- Fig. 1.1 – Central hidropneumática de velocidade fixa [33] Í NDICE DE F IGURAS
- Fig. 1.2 – Central hidropneumática de velocidade variável [34]
- Fig. 2.1 – Instalação com tubos embutidos na parede e sobre tecto falso [4]........................................
- Fig. 2.2 – Instalação com tubos embutidos na parede, ou à vista [4]
- Fig. 2.3 – Instalação embutida no pavimento [4]
- Fig. 2.4 – Representação esquemática de um tubo multi-camada [5]....................................................
- de moléculas) [8] Fig. 2.5 – Estrutura molecular do Polietileno reticulado de alta densidade (ligação das varias cadeias
- Fig. 2.6 – Tubo em Pe-x revestido com manga de protecção
- Fig. 2.7 – Compensação das dilatações [7]
- Fig. 2.8 – Tubos e acessórios em PP-R [10]
- Fig. 2.9 – Tubo em Poli cloreto de vinil [13]
- Fig. 2.10 – Tubos em Polietileno de alta densidade [15]
- Fig. 2.11 – Tubo em aço galvanizado [17]
- Fig. 2.12 – Tubos em aço inoxidável [21]
- Fig. 2.13 – Tubos em cobre [19]
- Fig. 3.1 – Central hidropneumática de velocidade fixa [33]
- Fig. 3.2 – Esquema de central hidropneumática em edifícios altos......................................................
- Fig. 3.3 – Esquema RAC [28]................................................................................................................
- Fig. 3.4 – Curva característica da bomba [28]
- Fig. 3.6 – Central hidropneumática de velocidade variável [34]
- Fig. 3.7 – Modo de funcionamento de um conjunto de bombas com velocidade variável [35]
- Fig. 3.8 – Exemplo de funcionamento de uma multibomba
- Fig. 3.9 – Modo de funcionamento de uma central de velocidade variável [30]
- (Anexo V) [1].......................................................................................................................................... Fig. 4.1 – Caudais de cálculo em função dos caudais acumulados para um nível de conforto médio
- Fig. 4.2 – Caudais instantâneos
- Fig. 4.3 – Caudais de cálculo
- Fig. 4.4 – Esquema da rede para exemplificar a metodologia..............................................................
- Fig. 4.5 – Introdução do caudal fictício no EPANET
- Fig. 5.1 – Rede abastecida pela central hidropneumática
- Fig. 5.2 – Planta do piso e indicação de cada uma das habitações
- Fig. 5.3 – Redes de água fria e quente xii
- Fig. 5.4 – Representação da rede de abastecimento de água no EPANET
- Fig. 5.5 – Representação da 1ª habitação em EPANET com a respectiva notação dos tubos e nós
- Fig. 5.6 – Representação da 2ª habitação em EPANET com a respectiva notação dos tubos e nós
- Fig. 5.7 – Representação da 3ª habitação em EPANET com a respectiva notação dos tubos e nós
- Fig. 5.8 – Representação da 3ª habitação em EPANET com a respectiva notação dos tubos e nós
- Fig. 5.9 – Folha de cálculo para o dimensionamento dos tubos
- Fig. 5.10 – Folha de cálculo para caudais fictícios................................................................................
- Fig. 5.11 – Representação coluna montante no EPANET
- Fig. 5.12 – Número de pisos servidos e pressões a garantir pela central hidropneumática
- Fig. 5.13 – Cálculo do caudal de cálculo a bombar e do caudal máximo bombado
- Fig. 5.14 – Cálculo da potência, volume e dimensões da central hidropneumática
- Fig. 5.15 – Custos energéticos da central hidropneumática
- Fig. 7.1 – Evolução do teor de cloro em função do tempo e do coeficiente de reacção
- saída da central hidropneumática Fig. 7.2 – Teor de cloro no nó N1 da coluna montante, para um caudal de 0.05 l/s e C0 = 0.30 mg/l à
- Fig. 7.3 – Teor de cloro no nó mais afastado (Lav_Q4_1), aí considerando um caudal de 0.05 l/s e C
- = 3 mg/l à saída da central hidropneumática.
- Fig. 7.4 – Custo de energia actualizado durante 40 anos
- Fig. A.1 – Planta de um dos pisos A.
- Fig. A.2 – Corte 1-1’.............................................................................................................................. A.
- Fig. A.3 – Corte 2-2’.............................................................................................................................. A.
- Fig. A.4 – Representação da rede de abastecimento de água de um dos pisos A.
- Quadro 4.1 – Caudais mínimos nos dispositivos (Anexo IV) [1] Í NDICE DE Q UADROS
- Quadro 4.2 – Número de fluxómetros em utilização simultânea (anexo V) [1]
- Quadro 4.3 – Cálculo dos caudais fictícios a introduzir no EPANET.....................................................
- SI) [36] Quadro 4.4 – Fórmulas consideradas no Epanet para o cálculo da perda de carga contínua (unidades
- Quadro 4.5 – Coeficientes das fórmulas de perda de carga para tubagens novas [36]........................
- Quadro 4.6 – Coeficientes das fórmulas de perda de carga para tubagens novas [36]........................
- Quadro 5.1 – Diâmetros utilizados no dimensionamento da rede [9]
- Quadro 5.2 - Cálculo dos caudais fictícios a introduzir no EPANET para a habitação T2_3
- Quadro 5.3 – Funcionamento hidráulico dos tubos no último piso
- Quadro 5.4 – Pressões no último piso
- Quadro 5.5 – Funcionamento hidráulico dos tubos coluna montante....................................................
- Quadro 5.6 – Pressões na coluna montante..........................................................................................
- Quadro 6.1 – Parâmetros indicadores
- Quadro 6.2 – Exemplos de modelos cinéticos de reacções no seio do escoamento [36]....................
- Quadro a.1 – Cálculo dos caudais fictícios a introduzir no EPANET para a habitação T2_4 A.
- Quadro a.2 – Cálculo dos caudais fictícios a introduzir no EPANET para a habitação T2_3 A.
- Quadro a.3 – Cálculo dos caudais fictícios a introduzir no EPANET para a habitação T2_2 A.
- Quadro a.4 – Cálculo dos caudais fictícios a introduzir no EPANET para a habitação T2_1 A.
- habitações à coluna montante A. Quadro a.5 – Cálculo dos caudais fictícios a introduzir no EPANET para os nós que ligam as
- Quadro a.6 – Cálculo dos caudais fictícios a introduzir no EPANET para a coluna montante A.
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SÍMBOLOS E ABREVIATURAS
Pe-x - Polietileno reticulado de alta densidade PP-R - Polipropileno Copolimero Random PVC - Poli cloreto de Vinil MVC - Mono cloreto de Vinil PEAD - Polietileno de alta densidade PEBD - Polietileno de baixa densidade PEMD - Polietileno de média densidade Ag - Aço Galvanizado Al - Aço Inoxidável Cu - Cobre PN - Pressão nominal UV - Ultravioleta OMS - Organização Mundial de Saúde RAC - Reservatório de ar comprimido CS - Coeficiente de segurança COT - Carbono orgânico total
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