O dimensionamento de drenagem urbana é um problema com duas partes, a primeira consiste na escolha do layout da rede e a segunda a otimização hidráulica de cada layout (tamanhos dos elementos, as profundidades de instalação e os declives são determinados para um determinado layout). Nesse trabalho foi avaliada a otimização hidráulica de um layout predeterminado, coincidente com o das redes existentes.
No dimensionamento hidráulico de redes de drenagem devem ser levadas algumas considerações que serão descritas a seguir com base em ALLASIA (2002), MENEZES FILHO e COSTA (2012) e DE VILLIERS, VAN ROOYEN, MIDDENDORF (2017). Na Tabela 4 se indicam as principais características que devem ser obedecidas no dimensionamento da drenagem urbana, e na sequencia se explicam as mesmas.
Tabela 4 – Parâmetros utilizados em canais e/ou seção circular das galerias de águas pluviais. Autor/ Instituição Vmín (m/s) Vmáx (m/s) Tci (min) Rm (m) h/D Tipo de escoamento Tucci et al. (2004) 0,60 5,00 10 a 1,00 1,00 Unif. Azevedo Netto e Araújo (1998) 0,75 5,00 5 1,00 0,90 ou 1,00 Unif. Wilken (1978) 0,75 3,50e 5 a 15 - 1,00 Unif. Alcântara apud Azevedo Netto (1969) 1,00 4,00 7 a 15 - 0,70 Grad. Variado Porto (1999) Vméd = 4 a 6b - - 0,75 Unif. Cirilo (2003) 0,60 4,50 - - h/Dc Unif. Methods e Durransd (2003) 0,60 a 0,90 4,50 - 0,90 0,85 Unif. e Grad. Variado DAEE- CETESB (1980) - - - - 0,82 Unif. Prefeitura Municipal de Goiânia 0,75 5,00 - - 0,85 a 0,90 Unif. Valores recomendados pelos autores 0,75 5,00 5 1,00 0,85 Unif.
a Valor citado, porém, segundo o autor pode estar superestimado, necessitando ser calculado em caso
de dúvida
b Fonte: Curso de Canais, EE-UFMG, Dep. Engenharia Hidráulica, Edições Engenharia 58/77 c Valor não fixado
d Valores adotados pela ASCE (1992) – American Society of Civil Engineers e Pode-se adotar até 6 m/s se for previsto revestimento adequado para o conduto
Vmín – velocidade mínima Vmáx – velocidade máxima Vméd – velocidade média
Tci – tempo de concentração inicial Rm – recobrimento mínimo
h/D – relação altura-diâmetro
Fonte: Adaptado de MENEZES FILHO e COSTA (2012).
Além disso, podem-se destacar as seguintes características que influenciam na concepção e no dimensionamento de um layout de rede:
Recobrimento: As profundidades mínimas de recobrimento protegem as tubulações das cargas, como as de veículos quando sob as ruas. Além disso, ela garante um desnível adequado para as conexões ao sistema,
em especial as domiciliares. Da mesma forma, a profundidade máxima da cobertura evita a falha da tubulação por cargas impostas pelo próprio solo e para evitar a escavação excessiva, especialmente quando as condições do solo são adversas;
Velocidade de escoamento: As restrições de velocidade mínima e máxima são impostas nas vazões propagadas na rede. A velocidade mínima impede a deposição de partículas sólidas e a velocidade máxima é aplicada para evitar a erosão do material do tubo;
Declividade: Uma declividade mínima é aplicada em todos os tubos para evitar a colocação incorreta durante a construção ou declives adversos resultantes do assentamento da tubulação. O requisito de inclinação mínima também garante que, durante as condições de vazões a seção plena, a velocidade mínima de escoamento seja atingida;
Capacidade sobressalente necessária: Uma porcentagem de capacidade sobressalente é aplicada para garantir que o escoamento pressurizado não ocorra. A restrição tem o benefício adicional de fornecer uma margem de segurança se a entrada de água da chuva ocorrer durante os horários de pico de fluxo;
Diâmetros disponíveis comercialmente: Os diâmetros só podem ser selecionados de um conjunto discreto de diâmetros comercialmente fabricados;
Diâmetros de tubulações sempre progressivos: O diâmetro de um tubo só pode ser igual ou maior do que qualquer um dos tubos diretamente anteriores a ele. Isto serve para evitar possíveis bloqueios, represamento de águas residuais e aumento repentino nas velocidades de fluxo na rede;
Profundidades do tubo progressivas: O tubo de saída de qualquer poço de visita não pode ser colocado acima do tubo de entrada mais profundo. Isso evita o represamento permanente da água residual e a deposição sólida no PV.
Seguindo essas recomendações, vários softwares implementaram soluções de dimensionamento automáticas das redes, como por exemplo em Allasia e Villanueva, 2007. Nesse caso, como a modelagem foi realizada conforme a metodologia de
Muskingun-Cunge (item 2.2.8.1), as condições para o dimensionamento da rede de drenagem eram ditadas por condições exclusivamente de montante. Dessa forma, no dimensionamento desse trabalho, caso a rede existente não fossem suficiente para escoar as vazões, o sistema automaticamente escolhia o diâmetro comercial seguinte, até o diâmetro de 1,50m. A partir desse diâmetro eram escolhidas galerias retangulares, com seções variando de 5 em 5 cm. As galerias eram aumentadas em todas as dimensões até atingir a profundidade máxima de escavação, aumentando a partir desse momento de forma horizontal unicamente (Allasia, 2002).
De acordo com Rossmann (2007) no SWMM 4, quando utilizada propagação por onda cinemática foi utilizada uma solução muito semelhante. De acordo com o próprio Rossmann (2007) esse tipo de soluções não podem ser consideradas otimizadas uma vez que não são levadas em consideração eventuais alterações da declividade da tubulação.
Nesse sentido, DE VILLIERS, VAN ROOYEN, MIDDENDORF (2017) propuseram uma metodologia de dimensionamento de redes de esgoto sanitário onde escolhida a mínima declividade que satisfaça os critérios de velocidade, recobrimento, e a própria declividade mínima exigida, procura-se o diâmetro comercial imediatamente superior.
O software IPHdren (Siqueira, 2012), por sua vez, faz o dimensionamento da microdrenagem pluvial como um plugin do Autocad. O algoritmo de cálculo foi desenvolvido com base nas etapas necessárias ao dimensionamento, resultando na seleção de diâmetros e na determinação de cotas de fundo (declividades) para as tubulações. De forma similar trabalham os softwares Hydraflow Hydrographs (Autodesk, 2017), Stormwater Studio (Hydrology Studio, 2019), HydroCAD (HydroCAD, 2019), e StormCAD (Bentley, 2019).
No entanto, nenhuma dessas soluções utilizou modelos hidrodinâmicos para o dimensionamento, uma vez que nesse caso, o dimensionamento de uma determinada seção é influenciado tanto por fenômenos a montante como jusante. Uma solução de compromisso foi proposta por Cruz (2004) que otimizou o dimensionamento de redes de drenagem urbana com reservatórios de detenção. A otimização foi realizada sobre o modelo IPHS1, trabalhando com propagação pelo algoritmo de Muskingun-Cunge e simulando os reservatórios através de Puls. O algoritmo otimizou o custo da rede simulada no IPHS1 de forma similar à Allasia (2002) e posteriormente a solução foi verificada no modelo SWMM. Caso detectada alguma diferença significativa entre os
resultados obtidos na solução sem os modelos hidrodinâmicos, pode-se reiniciar o processo de solução com as devidas correções. Isso normalmente não acontece uma vez que, segundo Cruz (2004), a tendência é que os modelos hidrológicos sejam conservadores com relação aos modelos que consideram o sistema pressurizado.
O modelo UFC8 (GUIMARÃES, 2009) se apresenta como uma interface elaborada entre Autocad e SWMM, uma vez que opera dentro do Autocad e faz chamadas ao SWMM. No entanto vai além de uma simples interface já que permite a estimativa da chuva de projeto, por exemplo a partir de Torrico (1974) e o dimensionamento da microdrenagem. Com esses dados, por sua vez, a macrodrenagem é simulada no SWMM.
O modelo permite ainda o dimensionamento automático de redes de macrodrenagem urbana utilizando um modelo hidrodinâmico conforme o esquema da Figura 9.
Figura 9 – Esquema de dimensionamento de tubulações no UFC8.
Fonte: BEZERRA e CASTRO (2009).
Inicialmente, o usuário deve editar os parâmetros de dimensionamento como: declividade mínima e máxima da tubulação, velocidade mínima e máxima no conduto, entre outros (Figura 10).
Figura 10 – Tela de definição dos parâmetros a ser observados no dimensionamento através do modelo UFC8.
Fonte: Adaptado de LAHC (2019).
Na sequência, e conforme indicado no manual do UFC8, o modelo faz chamadas iterativas ao modelo SWMM, e com base em um pré-dimensionamento através de Manning, ajustam-se as seções e declividades simuladas. Lamentavelmente não foram obtida uma documentação específica ou fluxograma de como o UFC8 escolhe como é realizado o dimensionamento em cada iteração, nem como o modelo lida com situações como altas/baixas velocidades em cada caso, que requerem alterações nos poços de visita.
Versões comerciais do SWMM, como o PCSWMM (CHI <http://www.chiwater.com>) permitem o dimensionamento automático de redes. No caso do PCSWMM é requerida uma primeira aproximação em que todos os condutos devem obrigatoriamente serem superdimensionados. Na sequência, através de uma interface gráfica, são ajustadas as dimensões e o sistema é simulado novamente para verificar possíveis efeitos ao longo da rede pela seleção das dimensões num local determinado (PCSWMM, 2011).