DIMENSIONAMENTO DE CONDUTAS ENTERRADAS
João José Campino de Carvalho
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Civil
Júri
Presidente: Professor Augusto Martins Gomes
Orientador: Professor António Jorge Silva Guerreiro Monteiro
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer a todos os que me ajudaram a realizar esta obra.
Ao Professor António Monteiro, orientador científico desta dissertação, pela oportunidade que me proporcionou em realizar esta dissertação e pelos conhecimentos que me transmitiu ao longo da elaboração da mesma.
Ao Eng. Manuel Anastácio, pela flexibilidade de horário de trabalho permitida nas fases mais importantes da realização da dissertação.
À Mariana Simão e ao Nuno Carvalho pela ajuda no texto em inglês, tanto no Abstract como no Extended Abstract.
Ao Luís Viana pela companhia e incentivo em muitas etapas da realização da obra. Á minha namorada um especial obrigado por toda a motivação e coragem que me transmitiu para a conclusão deste trabalho.
DIMENSIONAMENTO DE CONDUTAS ENTERRADAS
João José Campino de Carvalho
Departamento de Engenharia Civil e Arquitectura, Instituto Superior Técnico - Lisboa, Portugal
RESUMO
A instalação de condutas enterradas implica uma adequada análise hidráulica e estrutural, processos condicionantes na escolha: do diâmetro; do tipo de material; do tipo de assentamento; e da capacidade resistente a exigir à tubagem a instalar.
A classificação das condutas e os seus métodos de instalação são factores que também são importantes no processo de dimensionamento de condutas enterradas.
Após a estimativa do caudal a transportar, o dimensionamento hidráulico efectua-se, em geral, com a verificação da capacidade de transporte através de uma expressão de cálculo de perdas de carga como, por exemplo a expressão de Manning-Strickler, para definir o diâmetro a ser adoptado.
A determinação das cargas aplicadas nas condutas é composta pelas cargas estáticas e cargas dinâmicas. Os fundamentos para a determinação das cargas estáticas baseiam-se nas teorias de Marston e Spangler, cujos conceitos, teorias e procedimentos são considerados os mais adequados ao dimensionamento de condutas enterradas. Considerando que estes métodos têm um grau significativo de complexidade na sua aplicação e o respectivo significado físico não é de fácil apreensão, desenvolveram-se expressões alternativas que são de mais simples compreensão física e aplicação. São apresentadas comparações gráficas entre a metodologia proposta e a teoria de Marston e Spangler.
Para o cálculo das cargas dinâmicas aplicadas em elementos enterrados, foram utilizados dois métodos distintos, a expressão de Boussinesq e o método de degradação linear de cargas, apresentando graficamente a comparação entre os métodos.
São também abordados os aspectos referentes aos ensaios laboratoriais da resistência à compressão diametral, com referência à Norma Europeia, e o valor máximo de deformação diametral através da fórmula de Spangler, a expressão empírica de Watkins&Anderson e a fórmula de Iowa.
DESIGN OF BURIED PIPELINES
João José Campino de Carvalho
Departamento de Engenharia Civil e Arquitectura, Instituto Superior Técnico - Lisboa, Portugal
ABSTRACT
The installation of buried pipelines requires an adequate hydraulic analysis and structural constraints in the selection process: diameter, type of material, type of settlement, and bearing capacity required for piping installation.
The classification of pipes and their installation methods are also important for the design of buried pipelines.
After estimating the flow to be transported, the hydraulic design is carried out, in general, through the verification of transport capability by using an expression for the calculation of load losses such as the Manning-Strickler expression, to define the diameter to be adopted.
The determination of loads applied on pipes is composed of static and dynamic loads. The grounds beyond the determination of static loads are based on the theories of Marston and Spangler, whose concepts, theories and procedures are considered the most suitable for the design of buried pipelines. Considering that these methods have a significant degree of complexity in its implementation and that its physical meaning is not easy to grasp, alternative expressions of simpler physical understanding and application, have been developed. Graphical comparisons between the proposed methodology and the theory of Marston and Spangler are presented.
To calculate the dynamic loads imposed on buried elements, two different methods were used - the expression of Boussinesq and the method of linear degradation of loads. The comparison between the two is presented graphically.
Aspects relating to laboratory tests of resistance of diametric compression, with reference to the European Standard, and the maximum value of diametric deformation through Spangler's formula, the empirical expression of Anderson & Watkins and the Iowa formula, are also approached.
ÍNDICE DO TEXTO
1. Introdução ... 1
1.1.
Relevância do tema ... 1
1.2. Objectivos ... 1
1.3. Estrutura da dissertação ... 2
2. Materiais das condutas ... 5
2.1. Tipos de materiais ... 5
2.1.1. Condutas de grés cerâmico ... 5
2.1.2. Condutas de fibrocimento ... 6
2.1.3. Condutas de betão ... 7
2.1.4. Condutas de aço ... 8
2.1.5. Condutas de ferro fundido ... 9
2.1.6. Condutas de materiais plásticos ... 10
2.1.6.1. Polietileno de Alta Densidade (PEAD) ... 10
2.1.6.2 Policloreto de Vinilo (PVC) ... 11
2.1.6.3 Condutas de plástico reforçadas com fibras de vidro ... 12
2.2 Factores que influenciam a escolha do material ... 13
2.2.1 Tipo de escoamento ... 13
2.2.2 Tipo de ligação entre condutas ... 13
2.2.3 Tipo de ligação entre condutas ... 14
2.2.4 Necessidade de estanqueidade ... 14
3. Classificação das condutas ... 15
3.1 Considerações Gerais ... 15
3.2 Condutas rígidas ... 15
3.3 Condutas flexíveis ... 16
3.4 Condutas semi-flexíveis ou semi-rígidas ... 17
4. Métodos de instalação ... 19
4.1 Instalação em vala ... 19
4.2 Instalação em aterro ... 19
4.2.1 Instalação em projecção positiva ... 19
4.2.2 Instalação em projecção negativa ... 20
4.3 Outros tipos de instalação ... 21
4.3.1 Instalação por macacos hidráulicos ... 21
5. Dimensionamento ... 23
5.1 Dimensionamento hidráulico ... 23
5.1.1 Cálculo hidráulico ... 23
5.1.2 Estudo do Coeficiente de Rugosidade ... 24
5.2 Dimensionamento estrutural ... 26
5.2.1 Considerações introdutórias ... 26
5.2.2 Solicitações estáticas em vala ... 28
5.2.3 Solicitações estáticas em aterro ... 33
5.2.3.1 Considerações Gerais ... 33 5.2.3.2 Projecção positiva ... 35 5.2.3.3 Projecção negativa ... 44 5.2.4 Solicitações dinâmicas ... 50 5.2.4.1 Considerações gerais ... 50 5.2.4.2 Expressão de Boussinesq ... 50
5.2.4.2 Degradação linear de cargas ... 51
5.2.4.3 Comparação dos dois métodos ... 52
5.2.5 Solicitação de cálculo ... 53
5.2.6 Deformação ... 58
5.2.7 Ensaios de determinação da resistência ... 60
5.3 Determinação da largura de transição ... 62
5.4 Fluxogramas dos processos de cálculo das cargas estáticas ... 63
5.4.1 Fluxograma para as fórmulas originais de Marston ... 64
5.4.2 Fluxograma para as fórmulas propostas ... Error! Bookmark not defined.
6. Conclusões ... 67
Referências bibliografias ... 71
Anexos ... 75
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 – Condutas de grés cerâmico (Fonte: www.servizi-industriali.com). ... 5
Figura 2 – Condutas de fibrocimento (Fonte: www.murilocampos.com). ... 6
Figura 3 – Condutas de betão (Fonte: www.jodofer.pt). ... 8
Figura 4 – Condutas de aço (Fonte: www.solostocks.com.br). ... 9
Figura 5 – Condutas de ferro fundido (Fonte: www.cabralsousa.pt). ... 10
Figura 6 – Condutas de PEAD (Fonte: www.centralplast.pt). ... 11
Figura 7 – Condutas de PVC (Fonte: www.baquelite-liz.pt). ... 12
Figura 8 – Condutas de plástico reforçadas com fibras de vidro (Fonte: www.nei.com.br). ... 12
Figura 9 – Acréscimo de carga em condutas rígidas. ... 16
Figura 10 – Redução de carga em condutas flexíveis. ... 16
Figura 11 - Tipos de vala: (a) simples; (b) com degrau ou com sub-vala; (c) com paredes inclinadas (Adaptado: Neto e Relvas, 2003). ... 19
Figura 12 – Instalação em aterro com projecção positiva (Adaptado: Neto e Relvas, 2003). ... 20
Figura 13 – Instalação em aterro com projecção negativa (Adaptado: Neto e Relvas, 2003). ... 20
Figura 14 – Diagrama de forças existentes em vala (Adaptado: Young e Trott, 1984). ... 29
Figura 15 – Instalações em aterro: (a) Projecção positiva incompleta (b) Projecção positiva completa (Adaptado: Young e Trott, 1984). ... 34
Figura 16 – Instalação em aterro: (a) Projecção negativa incompleta (b) Projecção negativa completa (Adaptado: Young e Trott, 1984). ... 34
Figura 17 – Planta do veículo tipo (Adaptado: R.S.A., 2006). ... 50
Figura 18 – Esquematização do método de Boussinesq (Fonte: Ferreira e Pereira, 2000). ... 50
Figura 19 – Vista em perspectiva da degradação de cargas do veículo tipo. ... 51
Figura 20 – Bases condenáveis em instalação em vala (Adaptado de Debs, 2003). ... 54
Figura 21 – Bases comuns em instalação em vala (Adaptado: Debs, 2003). ... 54
Figura 22 – Bases de 1ªclasse em instalação em vala (Adaptado: Debs, 2003). ... 55
Figura 23 – Bases de betão em instalação em vala (Adaptado: Debs, 2003). ... 55
Figura 24 – Bases condenáveis em instalação em aterro (Adaptado: Debs, 2003)... 56
Figura 25 – Bases comuns em instalação em aterro (Adaptado: Debs, 2003). ... 56
Figura 26 – Bases de 1ªclasse em instalação em aterro (Adaptado: Debs, 2003). ... 56
Figura 27 – Bases de betão em instalação em aterro (Adaptado: Debs, 2003). ... 57
Figura 28 - Gráfico comparativo entre a Curva Empírica e a Curva de Iowa ... 60
Figura 29 - Métodos de ensaio de laboratório na Europa (Fonte: EN 1916:2002, 2002). ... 61
Figura 30 - Métodos de ensaio de laboratório no Brasil (Adaptado: Zaidler, 1983). ... 61
Figura 31 – Reacção do solo em condutas flexíveis (Adaptado: Chama Neto e Relvas, 2003). ... 62
Figura 32 – Diagrama de forças para cálculo da largura de transição (Adaptado: Plácido, 2006). ... 62
Figura 33 - Fluxograma do processo de cálculo com as fórmulas originais de Marston. ... 64 Figura 34 - Fluxograma do processo de cálculo com as fórmulas propostas. ... Error! Bookmark not
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ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1 – Carga aplicada em condutas rígidas de DN200 pelas fórmulas de Marston-Spangler. ... 40
Tabela 2 – Carga aplicada em condutas rígidas de DN1000 pelas fórmulas de Marston-Spangler. ... 40
Tabela 3 – Carga aplicada em condutas rígidas de DN200 pelas fórmulas propostas. ... 41
Tabela 4 – Carga aplicada em condutas rígidas de DN1000 pelas fórmulas propostas. ... 41
Tabela 5 – Carga aplicada em condutas flexíveis de DN200 pelas fórmulas de Marston-Spangler. ... 42
Tabela 6 – Carga aplicada em condutas flexíveis de DN1000 pelas fórmulas de Marston-Spangler. ... 42
Tabela 7 – Carga aplicada em condutas flexíveis de DN200 pelas fórmulas propostas. ... 43
Tabela 8 – Carga aplicada em condutas flexíveis de DN1000 pelas fórmulas propostas... 43
Tabela 9 – Carga aplicada em condutas de DN200 pelas fórmulas originais de Marston-Spangler. ... 48
Tabela 10 – Carga aplicada em condutas de DN1000 pelas fórmulas originais de Marston-Spangler. ... 48
Tabela 11 – Carga aplicada em condutas de DN200 pelas fórmulas propostas ... 49
Tabela 12 -Carga aplicada em condutas de DN1000 pelas fórmulas propostas ... 49
Tabela 13 - Factor de instalação (Fonte: Barreto, 2003) ... 57
Tabela 14 - Valores do parâmetro X (Fonte: Barreto, 2003)... 57
ÍNDICE DE GRÁFICOS
Gráfico 1 – Relação entre o coeficiente de rugosidade de Manning-Strickler e o diâmetro das condutas. . 26Gráfico 2 – Gráfico para se retirar o coeficiente de vala de Marston-Spangler, Cv ... 30
Gráfico 3 – Ampliação do gráfico do coeficiente de vala de Marston-Spangler, Cv. ... 30
Gráfico 4 – Gráfico com o coeficiente de carga unitário, v (-). ... 32
Gráfico 5 – Coeficiente de carga unitário, a, em aterro com projecção positiva para condutas rígidas. .... 38
Gráfico 6 – Coeficiente de carga unitária, a, em aterro com projecção positiva para condutas flexíveis ... 39
Gráfico 7 – Coeficiente de carga unitário em aterro com projecção negativa, n. ... 47
Gráfico 8 – Comparação entre a expressão de Boussinesq e a degradação linear. ... 52
LISTA DE SÍMBOLOS
Latinas
A – Área da secção transversal da conduta (m2
);
a – Constante para determinação da intensidade de precipitação que depende da localização da bacia hidrográfica (-);
Ab – Área da bacia hidrográfica (m 2
);
B – Largura da vala, ao nível da geratriz superior da conduta, (m);
b – Constante para determinação da intensidade de precipitação que depende da localização da bacia hidrográfica (-);
C – Coeficiente para a fórmula Racional que depende das características superficiais da bacia hidrográfica (-);
Ca – Coeficiente de carga de Marston para elementos instalados em aterro com projecção
positiva (-);
Cn – Coeficiente de carga de Marston para elementos instalados em aterro com projecção
negativa (-);
Cv – Coeficiente de carga de Marston para elementos instalados em vala (-);
CR – Classe de rigidez da conduta (-); D – Diâmetro da conduta (m);
d – Deformação vertical a longo prazo (-); Dr – Coeficiente de deformação retardada (-);
DN – Diâmetro Nominal (mm);
E – Módulo de elasticidade do material da conduta (MPa); E’ – Módulo de elasticidade do solo (MPa);
f – Factor de atrito Darcy-Weisbach (-);
fe – Factor de equivalência em função do tipo de assentamento da conduta (-);
g – Aceleração da gravidade (m/s2
);
H – Altura de aterro, a partir da geratriz superior da conduta (m); He – Altura de igual assentamento (m);
ΔH – Perda de carga ao longo do comprimento da tubagem (m.c.f.); I – Intensidade média de precipitação (m/s);
i – Inclinação da tubagem (m/m); Ic – Inércia da secção da conduta (m4);
K – Constante de leito (-);
k – Rugosidade absoluta da parede da tubagem (m);
Ks – Coeficiente de rugosidade de Manning-Strickler (m1/3 s-1);
L – Comprimento da conduta (m);
Pp – Carga uniforme sobre a conduta, por unidade de comprimento, (kN/m);
Ps– Carga concentrada aplicada à superfície (kN);
p – Carga sobre a conduta, por unidade de comprimento (kN/m); Q – Caudal de ponta de cheia (m3
/s);
Qestáticas – Cargas estáticas, relacionadas com o peso do solo (kN);
Qoutras Carga proveniente de outra origem (kN);
Qtotal – Carga total, soma das cargas actuantes nas condutas (kN);
qm – Carga devido a cargas móveis (kN/m);
qt –Carga devido a carga do peso das terras (kN/m);
R – Raio hidráulico (m); Re – Número de Reynolds (-);
Rs – Rácio de rigidez da secção (-).
rsp – Grau de compactação do solo (-)
Sm – Plano crítico da cota de B (-);
t – Tempo de retorno (anos);
U – Velocidade do escoamento (m/s);
V – Carga sobre a conduta por unidade de comprimento (kN/m);
Gregas
a – Coeficiente de carga unitário em aterro de projecção positiva (-); n – Coeficiente de carga unitário em aterro de projecção negativa (-); v – Coeficiente de carga unitário em vala (-);
δ – Deformação a longo prazo (redução do diâmetro vertical); – Extensão vertical do solo na geratriz superior da secção (mm); – Ângulo de atrito interno do solo (º);
– Peso volúmico do solo de enchimento (kN/m3
); – Deslocamento total do prisma interior (m);
’ – Deslocamento total do prisma exterior abaixo do plano de igual assentamento (m); ’ – Coeficiente de atrito entre o solo de aterro e as paredes da vala (-);
1. Introdução
1.1. Relevância do tema
A utilização de condutas enterradas tem aumentado bastante nos últimos anos devido aos desenvolvimentos dos centros urbanos e também por motivos de boa utilização de matérias-primas e outros recursos escassos. É de facto a solução mais económica para o transporte de água, esgoto, gás ou combustíveis, tanto dentro das cidades como em terrenos desertos ou também ao longo das vias de comunicação.
A necessidade de empregar condutas enterradas para estas tarefas deve-se a ser uma solução que introduz menores perturbações quando comparadas com outras soluções, tais como a construção de estruturas mais complexas à superfície do terreno para o mesmo efeito. Considerando que um dos principais custos de implantação de condutas enterradas está relacionado com a instalação, um estudo sobre o método a utilizar-se é de extrema importância. Além dos custos de instalação, todo o processo de transporte, manutenção e o próprio custo inicial das componentes, são factores que levam a que as condutas enterradas sejam normalmente uma excelente opção para transportar ou conduzir todos os serviços adequados.
Com o intuito de optimizar a solução a adoptar, é imprescindível analisar a altura de terra acima da conduta e também a escolha acertada do tipo de conduta a utilizar. O valor da altura de terra apropriado a colocar-se no topo das condutas deverá ser o mínimo para minimizar os custos dos movimentos de terra mas deverá ser o suficiente para garantir a segurança das condutas face ás cargas aplicadas na superfície do terreno. Por outro lado, quando por questões funcionais as profundidades de instalação tiverem de elevadas, torna-se imprescindível a determinação da resistência estrutural da conduta a colocar.
1.2. Objectivos
O projecto de condutas enterradas deve merecer o mesmo cuidado do que de um projecto de estruturas de um edifício, embora, pela particularidade de "ficarem escondidas", às vezes é dada menos atenção a obras desse género. As consequências do colapso de uma rede de águas ou de esgotos podem ser problemas graves e dispendiosos, e muitos destes acidentes estão relacionados com erros de execução ou falta de concordância entre o projecto e a obra de executada.
A elaboração deste trabalho pretende ser um contributo para um melhor entendimento sobre o dimensionamento de condutas enterradas, visto ser um tema de elevada importância nos dias de hoje. Para se obter a solução economicamente mais vantajosa, é necessário o projectista elaborar um estudo aprofundado abrangendo uma vasta gama de tipos de materiais
finais, frequentemente considerando o custo do projecto como factor determinante na escolha da solução final, é realizada para se puder seleccionar a solução melhor enquadrada no plano de estudo. Foi com este objectivo em mente que se realizou o presente trabalho.
1.3. Estrutura da dissertação
A dissertação é constituída por seis capítulos e dois anexos.
O presente capítulo é apenas de carácter introdutório, limitando-se a transmitir a relevância do tema, os objectivos e a estrutura da dissertação.
No seguinte capítulo enumera-se os vários tipos de materiais possíveis de se utilizar no fabrico das condutas e alguns dos factores que influenciam a sua escolha. São descritos vários materiais, destacando-se a data do aparecimento, algumas características próprias e também vantagens e desvantagens desses materiais. Em relação aos factores que podem influenciar a selecção do material, apresentam-se alguns factores mais comuns e conhecidos, mas também são referidos o caso das ligações das condutas e as juntas vedantes.
No terceiro capítulo apresenta-se a classificação das condutas em relação à rigidez em comparação com a rigidez do solo. São caracterizadas as três designações habitualmente atribuídas às condutas enterradas neste domínio, nomeadamente condutas rígidas, condutas flexíveis e condutas semi-rígidas ou condutas semi-flexíveis.
O capítulo 4 refere-se aos diferentes métodos de instalação das condutas enterradas, apresentando alguns esquemas para uma melhor percepção dos tipos de instalação. São apresentadas as abordagens adoptadas nos dois principais métodos de instalações, a instalação em vala e a instalação em aterro, e no caso do aterro, as opções por projecção positiva ou projecção negativa. São também apresentados num ponto separado os outros métodos de instalação, recorrendo a macacos hidráulicos, a impulsos ou através da abertura de um túnel.
O capítulo 5 abrange todos os passos do dimensionamento de condutas enterradas, começando por mostrar como se efectua o projecto hidráulico e o projecto estrutural, onde neste último se desenvolve o cálculo das cargas aplicadas nas condutas. Estas cargas podem ser de duas origens, cargas estáticas, que são as cargas devidas ao peso das terras, ou cargas dinâmicas, correspondentes às cargas móveis que são aplicadas à superfície do terreno. Para garantir o bom funcionamento dos elementos, além da verificação da ruptura, é necessária a assegurar que a deformação da conduta não é exagerada, podendo-se perceber como se calcula este valor neste mesmo capítulo. Após o cálculo das cargas é necessário explicar os ensaios de determinação da resistência das condutas, que possibilitam a determinação do tipo e tamanho da conduta a utilizar consoante a carga aplicada num determinado troço do projecto. Neste capítulo apresenta-se também um estudo sobre a verificação de qual o método de instalação a executar, vala ou aterro, fórmula que determina a largura de transição. Por último, resumem-se os métodos de cálculo utilizados para o cálculo
das cargas aplicadas nas condutas enterradas, permitindo-se assim uma fácil execução de todos os métodos apresentados durante o presente trabalho.
No capítulo 6 apresenta-se algumas conclusões dos estudos realizados ao longo do presente trabalho, analisando os resultados e gráficos que se efectuaram para se atingir o objectivo desta obra.
Por fim, para complementar alguns pontos onde se executaram vários cálculos durante o estudo, são apresentados nos Anexos informação em tabelas e expressões numéricas que podem ajudar a esclarecer dúvidas sobre os estudos realizados. No Anexo A são apresentados elementos do estudo elaborado no capítulo 4, acerca do coeficiente de rugosidade de
Manning-Strickler, com os valores mais usuais deste coeficiente e todo o estudo realizado
sobre este ponto. No outro anexo, Anexo B, são apresentadas as resoluções das equações integrais necessárias para o cálculo dos valores do coeficiente de aterro de Marston.
2. Materiais das condutas
2.1. Tipos de materiais
2.1.1. Condutas de grés cerâmico
As condutas em grés cerâmico (Figura 1) surgiram no início de século XIX, data em que surgiram os primeiros elementos em argila, resultado que se deveu aos avanços na indústria e produção de tijolos (Young e Trott, 1984).
A maior qualidade deste material é a resistência a ataques químicos, pois apresenta resultados que comprovam elevados valores de resistência quando sujeito a este tipo de acções. Por outro lado, quando ocorrem ataques orgânicos, o grés cerâmico já se comporta abaixo da média, isto porque quando se dá a absorção de água contendo sais orgânicos ou existe uma sucessiva alternância entre o estado molhado e o estado seco, originam-se perturbações na superfície dos elementos. Um possível revestimento para estas condutas é a aplicação de um verniz cerâmico com uma solução de sais, antes do processo de fabrico da queima, e tanto pode ser aplicado pelo interior, exterior ou até mesmo em ambos os lados. A aplicação deste revestimento pelo interior reduz a porosidade e o atrito das paredes, tornando as paredes totalmente estanques aos líquidos utilizados nas condutas. Este melhoramento do fluxo de escoamento retrata bem uma outra qualidade deste tipo de material, que é o baixo coeficiente de rugosidade, resultante de uma superfície muito lisa, o que permite um escoamento do líquido com menor atrito no interior das condutas (Young e Trott, 1984).
De acordo com UNL-FCT-HU (2001/2002) as desvantagens do grés cerâmico estão relacionadas com as fraca prestações destes elementos na resistência estrutural, pois este valor é muito inferior aos restantes materiais possíveis de aplicar. A justificação para esta avaliação deve-se com o comportamento frágil e o seu elevado peso, o que implica ser considerado como um material de manuseamento e aplicação difícil. Já segundo Gonçalves e Monteiro (2002), também o preço tem um papel negativo na caracterização deste material, pois não é competitivo com os restantes materiais utilizáveis.
Figura 1 – Condutas de grés cerâmico (Fonte: www.servizi-industriali.com).
Em Portugal, a utilização de condutas de grés cerâmico tem vindo a diminuir acentuadamente, tornando-se num material muito pouco usado em obras de saneamento nos
obedecer a processos certificados ou reconhecimentos de qualidade, podendo assim não garantir resultados satisfatórios. Noutros países europeus, onde o fabrico tem as aprovações necessárias atrás referidas, como é o caso da Alemanha, o grés cerâmicos tem elevada utilização nas redes de drenagem (Gonçalves e Monteiro, 2002).
2.1.2. Condutas de fibrocimento
Foi no final do século XIX que se desenvolveu a técnica de fabrico de fibrocimento na Europa, aproveitando-se desde logo para se iniciar com o fabrico de condutas (Young e Trott, 1984).
Estes elementos quando enterrados, têm a possibilidade de ser revestidos exteriormente por uma camada protectora de base betuminosa e epoxídica ou também por uma manga de polietileno, já que quando as condutas não são revestidas com estas protecções podem ser susceptíveis a ataques químicos. Ao nível de protecção interior, é usual encontrar-se revestimentos de epoxídica juntamente com revestimento espesso de PVC (mais de 2mm de espessura), mas existe também a possibilidade de se revestir as condutas de fibrocimento em ambos as superfícies por tintas específicas, exteriormente em função dos solos e interiormente de acordo com o tipo de fluído a transportar (Gonçalves e Monteiro, 2002).
As condutas de fibrocimento (Figura 1Figura 2) não só apresentam ainda bons coeficientes de rugosidades, valores muito reduzidos permitindo assim bons comportamentos hidráulicos, como também um preço competitivo e peso reduzido (UNL-FCT-HU, 2001/2002).
Como características inconvenientes para o uso destas condutas em redes de drenagem, encontram-se a sensibilidade a águas e a terrenos agressivos, porque o fibrocimento é facilmente atacado por líquidos e terrenos ricos em sulfatos, e também a fragilidade a choques e esforços de flexão, resultado de ser um material frágil (UNL-FCT-HU, 2001/2002). Por ter na sua constituição fibras de amianto, cujas poeiras constituem um material cancerígeno, o uso, o manuseamento, a remoção e tratamento final dos resíduos deste material estão actualmente muito condicionados, o que levou a que tenha sido muito reduzida a sua utilização em novas condutas e instalações.
2.1.3. Condutas de betão
O aparecimento do cimento Portland em 1845 foi determinante para o desenvolvimento das condutas de betão (Figura 3), onde o processo pioneiro de fabrico de condutas resultava do simples enchimento de um molde vertical de betão fresco. Mais tarde, em meados do século XX, surgiram várias novas técnicas de melhoramento de colocação do betão nos moldes, possibilitando assim uma melhoria da qualidade e resistência das condutas (Young e Trott, 1984).
Em 1902, na Alemanha, começou-se a produzir condutas de betão armado, mais direccionadas para a utilização de condutas de gama de diâmetros elevados. Mais tarde, em 1970 em Inglaterra, surgiram as condutas de betão pré-esforçadas, fabricadas com a introdução de fios de aço previamente traccionados no interior do betão (Young e Trott, 1984).
Mais recentemente, outras novas técnicas têm sido utilizadas no fabrico das condutas de betão, nomeadamente a mistura de pedaços de fio de aço ou fibras de vidro com o betão, ou também, a colocação de mechas de fibra de vidro enrolado sobre as condutas. Com estas misturas, aumenta-se a resistência e reduzem-se o peso dos elementos, medidas que beneficiam bastante a avaliação deste material para a produção de condutas (Young e Trott, 1984).
No que diz respeito à resistência do betão a ataques químicos, o betão é resistente às substâncias que estão presentes normalmente nos esgotos domésticos, nomeadamente provenientes dos tratamentos fitossanitários, mas no caso da presença de outros químicos como sulfatos, ácidos ou sulfureto hidrogénio na séptica de esgoto, o betão por si só tem um mau comportamento. O aparecimento de sulfato de hidrogénio no interior das condutas é gerado pelo demasiado tempo que o esgoto pode permanecer dentro do sistema sem ter contacto com o oxigénio, provocando condições anaeróbicas o que provoca uma libertação de sulfato de hidrogénio. Assim, este químico em contacto com a parte superior da conduta, não só começa a reagir e danificá-la, como também ainda origina o ácido sulfúrico, ácido este que também protagoniza uma quebra na resistência do betão. Uma das medidas encontradas por Young e Trott (1984), é a colocação de uma membrana plástica na parte superior da conduta, pois é nessa zona da conduta onde normalmente se encontra a concentração desta bactéria.
Em relação à face exterior das condutas, os ataques químicos podem-se dever às águas que até elas chegam ou através do simples contacto com o solo, sendo esta última razão devido às composições do solo onde as condutas estão instaladas. Os solos com sulfatos podem atacar o betão devido às reacções com o cimento constituinte, sendo que a solução para este problema passa pela utilização de cimentos resistentes a sulfatos (Young e Trott, 1984).
A opção de condutas de betão também pode ser determinada pelo preço muito competitivo que é praticado no mercado, isto porque entre os materiais alternativos, o betão é o que apresenta o preço mais reduzido (UNL-FCT-HU, 2001/2002).
Por outro lado, os pontos fracos destes elementos consistem na pouca resistência ao impacto, na carência de protecção catódica e ainda pela reduzida estanquecidade hidráulica (Gonçalves e Monteiro, 2002).
Figura 3 – Condutas de betão (Fonte: www.jodofer.pt).
2.1.4. Condutas de aço
Foi durante a segunda metade do século XIX, e no seguimento do grande aumento da produção de aço, que se começou a fabricar condutas de aço (Figura 4) produzidas em massa. Por consequência deste fenómeno, criaram-se novas técnicas e métodos dentro desta produção, que provocaram um desenvolvimento de laminadores capazes de fabricar placas de aço com grandes dimensões, tornando possível a produção de condutas com elevados diâmetros através do processo de perfilagem a frio e interligação das extremidades por rebitagem. Mas nem tudo correu na perfeição, pois este processo trouxe alguns resultados insatisfatórios, causando a sua substituição pelo reaquecimento e união forçada das extremidades ou colocando juntas de soldadura. Mais tarde, desenvolveu-se outro tipo de soldadura, a soldadura por arco-eléctrico e de seguida, pelo contínuo arco-soldagem, que é hoje o método preferido para se unir extremidades (Young e Trott, 1984).
As condutas de aço são normalmente protegidas da corrosão devido às acções do líquido transportado por um revestimento interior de cimento de alto-forno ou tintas betuminosas, ou por uma aplicação de um tecido pelo exterior que posteriormente é impregnado com betume para o efeito provocado pelo solo. Recentemente introduziu-se uma técnica de aplicação de argamassa de cimento pelo interior das condutas através de uma máquina que percorre a conduta depois da instalação da conduta no solo. Para protecção pelo lado exterior também são conhecidos alguns métodos, sendo o mais praticado a aplicação do poliestireno em todo o perímetro da conduta (Young e Trott, 1984).
Um outro método para impedir o efeito da corrosão nestas tubagens, prende-se com a protecção catódica, sendo um processo mais recente e com um elevado nível de eficácia. Esta protecção é aplicada nos elementos enterrados, mas é necessário adequar este processo com a resistividade do terreno onde se insere a conduta de aço.
As condutas de aço apresentam algumas características que se tornam favoráveis em relação a outros tipos de material, que segundo Gonçalves e Monteiro (2002) se destacam a elevada resistência mecânica, a impermeabilização a óleos e gases, e também a simplicidade
de equipamentos de utilização. Para UNL-FCT-HU (2001/2002), uma das principais vantagens da utilização das condutas de aço são a larga gama de diâmetros disponíveis no mercado.
Como factores negativos para estas condutas podem-se nomear a exigência de protecção internamente e externamente para a corrosão e o custo bastante elevado (Gonçalves e Monteiro, 2002).
Figura 4 – Condutas de aço (Fonte: www.solostocks.com.br).
2.1.5. Condutas de ferro fundido
As condutas de ferro fundido (Figura 5) apareceram em Inglaterra no século XIX, no entanto, foi em 1920 que se desenvolveram através de dois métodos: fundição centrífuga horizontal, em que o molde era rodado em alta velocidade para que o ar saísse do metal que se encontra em estado líquido; ou então, pela vibração do molde. Posteriormente, em 1948 introduziu-se grafite esferoidal em vez do tradicional ferro fundido cinzento, melhorando assim as propriedades das condutas e permitindo não só a produção de uma gama de diâmetros elevados, mas também de tubos com espessuras muito reduzidas (Young e Trott, 1984).
As condutas em ferro fundido podem ser encontradas tanto em redes de drenagem, como na distribuição de água e gás, e, com o intuito de melhorar e garantir um comportamento positivo destes elementos, é frequente revestir as condutas interiormente para minimizar o ataque de ferrugem. Um cuidado a ter nas instalações das condutas de ferro fundido é a possibilidade de existência de solos que contém sulfatos, que são transformados, por algumas bactérias, em ácido sulfúrico e causam o ataque às paredes dos elementos. Estes ataques são normalmente concentrados numa pequena região da parede, causando assim pequenas perfurações nas paredes (Young e Trott, 1984).
Nas situações de melhoramento dos constituintes das condutas através da inserção de grafite, é frequente alcançar uma redução da espessura das paredes dos elementos, tornando-os mais sensíveis atornando-os ataques atrás referidtornando-os. Para solucionar este problema, admitindo que se introduz grafite, é exigido uma atenção redobrada no processo de fabrico e transporte porque é usual que nestes processos ocorram alguma danificação ou imperfeição que provoquem os ataques à corrosão devido às paredes encontrarem-se fragilizadas (Young e Trott, 1984).
A nível de revestimentos, do lado exterior é corrente colocar uma solução de zinco com camada de acabamento de tinta epóxi normalmente vermelha, enquanto que pelo lado interior se aplica um revestimento de cimento aluminoso centrifugado (Gonçalves e Monteiro, 2002).
As principais vantagens no uso de condutas de ferro fundido são a boa resistência mecânica a elevadas pressões internas, a impermeabilidade a gases e óleos, a simplicidade de equipamento de instalação, e ainda, a disponibilidade de acessórios do mesmo material (Gonçalves e Monteiro, 2002). Para UNL-FCT-HU, também se podem destacar como qualidades deste material a grande longevidade e a boa resistência à corrosão.
Como desvantagens, encontram-se o peso elevado do material, a possibilidade de corrosão por ácidos sulfúricos e outros ácidos, e também, o custo relativamente elevado do ferro fundido (Gonçalves e Monteiro, 2002).
Figura 5 – Condutas de ferro fundido (Fonte: www.cabralsousa.pt).
2.1.6. Condutas de materiais plásticos
2.1.6.1. Polietileno de Alta Densidade (PEAD)
O aumento da compreensão e aprendizagem dos polímeros no início do século XX, provocou uma expansão da indústria termoplástica nas décadas de 1950 e 1960, tornando possível uma produção em larga escala dos produtos em Polietileno de Alta Densidade (PEAD). O PEAD é fabricado através da polimerização do etileno pelos processos de suspensão em solvente, solução e fase gasosa. Todas estas etapas dão-se em reactores de baixa pressão, concedendo assim uma estrutura molecular regular, originando produtos finais com características superiores às de outros materiais plásticos. A produção ocorre com a extorsão do material em temperaturas elevadas através da evaporação, necessitando por isso, um controle especial da taxa de alimentação, temperatura e pressão, para que o material mantenha as propriedades uniformes (Young e Trott, 1984).
As condutas de PEAD (Figura 6) apresentam algumas características mecânicas que elegem este material como um dos melhores dentro dos plásticos, isto porque a flexibilidade do material permite um bom comportamento em relação ao golpe de aríete, e juntamente com outras características próprias, permite suportar pressões de serviço elevadas (UNL-FCT-HU, 2001/2002). Tem também a vantagem de ser extremamente leve e resistir, em geral, a produtos químicos e vibrações (Gonçalves e Monteiro, 2002).
Os maus comportamentos deste material ocorrem da degradação por radiação solar e calor, degradação devido ao contacto com detergentes, solventes e hidrocarbonatos, e ainda, pela dificuldade de detecção de fugas de escoamento (Gonçalves e Monteiro, 2002).
Por curiosidade, pode-se relatar que Montenegro, Zaporski e Ribeiro, (1996) estimam que o mercado da construção civil requer entre 10% a 15% da produção de PEAD.
Figura 6 – Condutas de PEAD (Fonte: www.centralplast.pt).
2.1.6.2 Policloreto de Vinilo (PVC)
O Policloreto de Vinilo (PVC) é um material termoplástico sólido originado de um pó de cor branca, que é produzido por polimerização do monómero de cloreto de vinilo, que por sua vez, é proveniente do sal e do petróleo. Mais recentemente introduziu-se uma técnica de fabrico que consiste em orientar as moléculas de cadeia longa de PVC através da colocação da conduta no molde e aplicando água quente para pressionar a conduta contra as paredes do molde. Afirma-se que esta nova técnica proporcionou uma melhoria nas características de impacto e resistência a longo prazo (Young e Trott, 1984).
As condutas de PVC (Figura 7) são produzidos numa vasta área de diâmetros e espessuras de paredes, o que permite resistir diferentes pressões internas, sendo o seu desempenho dependente da temperatura em que se encontra a conduta (Young e Trott, 1984).
Apesar de não ser uma medida imprescindível, é frequente pintar com resina e pulverizar com areia antes de colocar estas condutas em locais onde esteja em contacto com o betão (UNL-FCT-HU, 2001/2002).
Como principais qualidades apresentadas pelas condutas de PVC, pode-se nomear o reduzido peso, a vasta gama de acessórios do mesmo material, e por fim, os preços muito competitivos em relação aos restantes materiais possíveis de aplicação. (Gonçalves e Monteiro, 2002)
Para se apresentar as desvantagens do PVC, pode-se começar por referir a sensibilidade ao choque, à exposição solar e ao calor, e também o elevado risco de ovalização. (Gonçalves e Monteiro, 2002)
Actualmente, e segundo informação apresentada no sítio da empresa Cires, o consumo mundial deste material é de 30 milhões de toneladas anuais, valor que torna este material como um dos plásticos com maior procura.
Figura 7 – Condutas de PVC (Fonte: www.baquelite-liz.pt).
2.1.6.3 Condutas de plástico reforçadas com fibras de vidro
Ocorreu no ano de 1955 o primeiro reforço de condutas de plástico com a inserção de fibras de vidro, sendo depois mais desenvolvidas nos E.U.A. com a introdução destes elementos em tanques de combustíveis dos foguetes perto do ano de 1960. No Reino Unido, em 1975, iniciou-se a comercialização de um novo processo de reforço, chamado efeito “sanduíche”, que consiste na aplicação de uma camada interior de resina poliéster ou fibra de vidro, seguida de uma camada intermédia de areia fina, e na colocação de uma camada exterior de resina de vidro (Young e Trott, 1984).
Segundo UNL-FCT-HU, (2001/2002) é possível dispensar-se qualquer tipo de revestimento destas condutas porque, pela composição deste material, as condutas já apresentam uma boa resistência a agentes químicos.
As condutas plásticas reforçadas com fibras de vidro (Figura 8) caracterizam-se principalmente por terem elevada resistência mecânica à corrosão química e electrolítica. Possuem ainda outras vantagens únicas que as tornam diferentes dos restantes materiais, que são a insensibilidade ao gelo, a resistência a temperaturas elevadas, aos raios ultra-violetas e a agentes atmosféricos. Outros aspectos favoráveis que estes elementos apresentam também são um peso reduzido, facilidade de fabrico e baixo coeficiente de rugosidade (Gonçalves e Monteiro, 2002).
Como defeitos ou características menos apreciadas, encontram-se a vulnerabilidade a choques e corrosão sob tensão, e ainda, exige uma boa compactação dos solos envolventes (Gonçalves e Monteiro, 2002).
2.2 Factores que influenciam a escolha do material
2.2.1 Tipo de escoamento
Com o objectivo de optimizar o aproveitamento de todos os materiais existentes num projecto, é recorrente elaborar um estudo sobre os prováveis cenários a ter em conta, de maneira a confirmar a adequação da decisão tomada. Na escolha do material a empregar nas condutas surge a exigência de tirar o máximo proveito desse mesmo material, mas apenas é possível elaborar este passo com o conhecimento das características dos materiais e quais as necessidades das condutas.
O tipo de escoamento, em pressão ou de superfície livre, decide qual o sentido possível da força diametral resultante na secção das condutas. Nos escoamentos em pressão, as forças exercidas nas paredes dos elementos pode ser em ambos os sentidos, porque existe a força de compressão provocada pelo solo e a força de tracção devido à pressão interior. Quando se trata de escoamento em superfície livre, apenas poderá ocorrer forças de compressão diametral exercidas pelo solo na envolvente das condutas.
2.2.2 Tipo de ligação entre condutas
Os tipos de ligaçoes disponíveis hoje em dia no mercado são normalmente produzidos com a marca própria de cada fabricante, o que provoca uma vasta gama de ligações em cada fornecedor. As ligações no passado eram simples, dimensionadas apenas para se introduzir argamassa de cimento nas condutas de betão, ou chumbo quando se tratava de condutas metálicas. Devido à construção destas uniões rígidas, na ocorrência de deslocamentos relativos entre duas condutas surge um aumento dos esforços nestes pontos, que apenas podem ser combatidos com a aplicação de juntas flexíveis compostas por anéis de borracha comprimidos para permitir também uma boa vedação do escoamento (Young e Trott, 1984).
Um outro problema que pode aparecer nas uniões de condutas, prende-se com a variação de tamanho entre peças do mesmo material devido ao processo de fabrico. Nas condutas de grés cerâmico, durante os processos de secagem e da queima, ocorre um certo encolhimento das peças que poderá ser diferente entre algumas peças, e para resolver este problema é necessário aplicar junções flexíveis constituídas por material plástico que é moldado de acordo com a extremidade em questão. Em relação aos elementos de betão, devido ao método de fabrico ser com recurso ao molde com força centrífuga, a grande variação de tamanho encontra-se no diâmetro interior, tornando-se necessário preencher estas diferenças com argamassa de maneira a permitir um escoamento sem perturbações (Young e Trott, 1984).
2.2.3 Tipo de ligação entre condutas
Os tipos de amarração que se podem encontrar nas redes enterradas são os reforços ou apoios necessários para impedir certos deslocamentos relativos das condutas. As variações de secção ou de traçado nos escoamentos em condutas sob pressão, provocam esforços onde estes elementos se tornam úteis para os contrariar e amarrar as condutas. Quando se encontra uma mudança de direcção do sistema, como por exemplo tês ou curvas, as ligações entre os tubos são muito solicitadas por forças que se calculam com a aplicação dom Teorema de Euler, recorrendo-se a maciços de amarração ou de apoio para evitar os deslocamentos que poderão afectar as ligações das condutas.
A construção destes elementos de apoio ao traçado da rede depende do material das condutas, porque as forças exercidas pelas tubagens estão relacionadas com os pesos dos materiais das condutas, ou também, pela possibilidade ou não de se construir maciços de reforço nos pontos necessários da rede.
2.2.4 Necessidade de estanqueidade
A aplicação das juntas de ligações entre condutas inclui a verificação de estanqueidade consoante a necessidade de garantir uma boa vedação durante a vida útil das condutas, tornando-se uma tarefa muito importante para um bom funcionamento do sistema.
A diferença entre projecto de esgotos domésticos ou de esgotos pluviais encontra-se na selecção do material da junta, pois no caso dos esgotos domésticos, devido às elevadas percentagens de ácidos, terá de haver uma atenção para que não ocorram reacções que afectam o desempenho das juntas, enquanto que no caso de esgotos pluviais, é muito pouco habitual encontrarem-se este problema, sendo apenas essencial o controlo entre o solo envolvente e a própria junta de vedação (Young e Trott, 1984).
A existência de pressão interior nas condutas pode facilitar a aplicação das juntas interiores, pois a força diametral da pressão pressiona o material de vedação nas paredes das condutas, permitindo assim um constante contacto forçado entre estes dois elementos.
3. Classificação das condutas
3.1 Considerações Gerais
Após o estudo dos vários tipos de materiais possíveis de utilização em condutas enterradas, é importante entender qual a classificação atribuída a esse elemento em termos de cálculo estrutural.
A relação entre a classificação da conduta e o seu dimensionamento estrutural refere-se ao conceito de rigidez, que por sua vez está relacionado com o tipo de conduta, tipo do solo de enchimento e condição de instalação (Viana, 1998).
Como também acontece em estruturas de betão armado, quanto maior a rigidez de um elemento maior é a absorção de carga, e transpondo esta ideia para as condutas enterradas e visto ter-se um sistema apenas constituído por dois intervenientes, solo e conduta, pode-se afirmar que o elemento mais rígido é aquele que recebe mais carga (Alves e Viana, 2006).
A classificação das condutas e o conhecimento do tipo de solo existente no local da intervenção, permitem desde logo perceber qual a relação presenciada no sistema, situação desfavorável ou situação favorável. A situação desfavorável ocorre quando as condutas são rígidas, o que implica que absorvem mais carga do que o solo envolvente, caso contrário, nos casos em que se classifica as condutas como flexíveis, a carga encaminha-se predominantemente para o solo tornando-se numa situação de alivio para as condutas.
Os tipos de classificação a atribuir às condutas difere de autor para autor, já que alguns apenas enumeram a condutas rígidas e condutas flexíveis, enquanto outros também se referem a condutas semi-rígidas ou semi-flexíveis.
3.2 Condutas rígidas
As condutas rígidas resistem às cargas no solo devido ao seu comportamento em anel, isto é, todo o perímetro entra para a resistência das paredes independentemente da direcção da carga aplicada. Este processo explica-se quando ocorre a aplicação de cargas verticais nas condutas e resulta uma resposta da resistência das paredes dos elementos por forças horizontais provenientes dos impulsos do solo (Young e Trott, 1984).
Nas instalações de condutas rígidas uma outra característica relevante é o facto da conduta ser mais rígida do que o solo onde está instalada, o que implica que a conduta suporta praticamente toda a carga aplicada ao nível da superfície e do peso do solo como se pode verificar na Figura 9, em que D representa o diâmetro da conduta e B a largura da vala.
Figura 9 – Acréscimo de carga em condutas rígidas.
A classificação das condutas rígidas é definida pela carga máxima que não deforma a secção o suficiente para provocar um aumento significativo da reacção passiva por parte do solo onde a conduta está instalada (Young e Trott, 1984). O valor da deformação máxima que pode ocorrer neste tipo de condutas sem que apresentem fissuras prejudiciais ao seu desempenho é de 0,1% do diâmetro, sendo medida no sentido de aplicação da carga (Neto e Relvas, 2003).
3.3 Condutas flexíveis
Para as condutas flexíveis, o critério de classificação consiste na capacidade de deformação não excessiva das secções devido à aplicação das cargas, transformando as secções inicialmente circulares em secções ovais. Esta alteração de geometria, que provoca uma redução do diâmetro vertical e um aumento do diâmetro horizontal, é quantificada como a percentagem de deformação do diâmetro vertical sem que nas paredes das condutas corram risco de colapso (Young e Trott, 1984).
Nos locais onde se encontram instaladas condutas flexíveis, o solo é mais rígido que a conduta, o que permite que o terreno suporte a maior parte do carregamento aplicado como se observa na Figura 10.
Devido à característica principal deste tipo de condutas, não existe valor máximo de deformação, apenas se pode restringir que qualquer que seja a deformação imposta na secção da conduta, esta não apresente nenhuma fissura perigosa para o funcionamento da mesma (Neto e Relvas, 2003).
3.4 Condutas semi-flexíveis ou semi-rígidas
É frequente encontrar-se apenas dois tipos de classificação para as condutas enterradas, condutas rígidas e condutas flexíveis, no entanto, pode-se ainda nomear uma outra categoria, condutas semi-flexíveis ou condutas semi-rígidas. Esta classe é conhecida pelos dois nomes porque se encontra entre as duas outras.
Nas situações de condutas inicialmente classificadas como rígidas, mas por terem diâmetros muito elevados e capazes de suportar um aumento de carga extra em virtude da sua flexibilidade, são normalmente classificadas como condutas semi-flexíveis ou condutas semi-rígidas (Young e Trott, 1984). Por outro lado, condutas classificadas como flexíveis, mas por serem de diâmetro reduzido não têm grande flexibilidade, são também nomeados como condutas semi-flexíveis ou semi-rígidas. Como exemplos desta classificação, encontram-se as condutas de grandes diâmetros constituídas por betão armado, ou as condutas de pequenos diâmetros como as de materiais plásticos.
4. Métodos de instalação
4.1 Instalação em vala
Um dos processos mais frequentes utilizados na instalação de condutas enterradas é sem dúvida a instalação em vala, visto ser de fácil execução relativamente aos restantes métodos (Júnior, Lages, et al, 2008). Este método consiste na abertura de um troço com dimensões superiores ao diâmetro das condutas a serem colocadas, de modo a garantir boas condições de trabalho no momento da colocação das condutas. Esta abertura pode ser efectuada por três métodos distintos, como está ilustrado na Figura 11.
Figura 11 - Tipos de vala: (a) simples; (b) com degrau ou com sub-vala; (c) com paredes inclinadas (Adaptado: Neto e Relvas, 2003).
É possível encontrarem-se mais do que um elemento instalado na mesma escavação, justificando-se com a redução dos custos e pela garantia de ter os mesmos resultados práticos. Para tal, é necessário abrir uma vala suficientemente larga para permitir acomodar as tubagens em condições propícias para uma boa instalação, não comprometendo o bom desempenho das condutas (Young e Trott, 1984).
4.2 Instalação em aterro
4.2.1 Instalação em projecção positiva
Uma das possibilidades de executar uma instalação em aterro é a instalação em projecção positiva, que se destaca por ser a única que a conduta é acomodada na superfície do terreno natural (Debs, 2003).
A instalação de projecção positiva apenas obriga a uma pequena abertura no terreno, apresentada na Figura 12, normalmente identificada como trincheira, com a intenção de garantir que a conduta esteja imobilizada no local onde foi colocada. É de notar que a
superfície do terreno natural terá de ficar pelo menos abaixo da cota do centro da conduta, pois caso contrário, deixaria de ser considerada projecção positiva.
Dentro deste tipo de instalação, existem ainda dois modos de projecção, a projecção incompleta e a projecção completa, diferenciadas pela existência ou não de um plano de igual assentamento, respectivamente. Este plano, tal qual o nome sugere, traduz o plano horizontal a partir do qual o assentamento do solo é igual em toda a mesma cota, e pode ser determinado como será explicado no capítulo 5.2.3.2.
Figura 12 – Instalação em aterro com projecção positiva (Adaptado: Neto e Relvas, 2003).
4.2.2 Instalação em projecção negativa
A instalação com projecção negativa difere na classificação anterior pela altura da trincheira escavada, mas o objectivo deste passo inicial é o mesmo que o descrito na projecção positiva. Nestas condições a altura da trincheira terá de ser superior ao diâmetro da conduta, conforme apresentado na Figura 13, de modo a que exista um patamar acima da cota superior da conduta constituído por solo natural.
Também em projecção negativa se encontra a distinção entre a projecção completa e projecção incompleta, descriminada pela mesma razão apresentada na projecção positiva.
Figura 13 – Instalação em aterro com projecção negativa (Adaptado: Neto e Relvas, 2003).
4.3 Outros tipos de instalação
4.3.1 Instalação por macacos hidráulicos
O processo de colocação de condutas com recurso a macacos hidráulicos tem como etapa inicial a abertura de um poço vertical com dimensões que permitam a introdução do operário e do material mecânico necessário para se efectuar a obra. O primeiro troço de conduta a instalar tem um tubo de aço de corte na extremidade, para que seja possível a penetração pelo terreno, recorrendo-se também ao auxílio da força dos macacos hidráulicos colocados na conduta posterior. O trabalhador dentro do elemento, encaixa os novos troços de conduta na extremidade das condutas já instaladas. Este método é repetido sucessivamente até se alcançar o comprimento de conduta pretendido.
4.3.2 Instalação por impulsos
Nos casos onde os diâmetros são reduzidos para que o operário trabalhe em condições dentro dos elementos, é recorrente optar-se pela instalação por impulsos, normalmente recorre-se quando se pretende atravessar caminhos-de-ferro, estradas ou linhas de água.
A instalação por impulsos consiste na colocação de uma broca rotativa dentro de um tubo de aço horizontal para que seja encostada ao solo e começar a perfurar o terreno. Enquanto a broca penetra no terreno, o material já cavado é removido para fora da perfuração pelo mesmo sistema rotativo da broca, permitindo retirar o terreno já escavado simultaneamente com o processo de escavação.
Finalizado o troço projectado, inicia-se a colocação das condutas dentro desta linha através de tubos guia, preenchendo todo o espaço vazio do percurso realizado pelas condutas definitivas. É discutível a continuidade ou não destes elementos guia na parte exterior das condutas definitivas, uma vez que tem vantagens e desvantagens. A grande vantagem de os manterem é o acréscimo de resistência à conduta, e a desvantagem é a eventualidade de intervir em fases de manutenção ou mesmo de reparações. Esta decisão caberá sempre às entidades responsáveis pela obra, uma vez que pode ser uma decisão com uma certa responsabilidade.
4.3.3 Instalação através da abertura de um túnel
A necessidade de recurso a este método prende-se com a dimensão ainda mais reduzida do diâmetro da conduta, pois este processo apenas prevalece em relação ao anterior devido a esta razão.
Também neste tipo de instalação a abertura de um túnel na parede da vala deverá ser de medida suficiente para o efeito, pois deve garantir espaço de trabalho para os operários.
5. Dimensionamento
5.1 Dimensionamento hidráulico
5.1.1 Cálculo hidráulico
O projecto hidráulico tem como principal objectivo o cálculo do diâmetro necessário a garantir um bom desempenho hidráulico da rede, independente do tipo de escoamento que esteja em causa, escoamento em pressão ou escoamento em superfície livre. Para tal, determinam-se todos os parâmetros necessários para efeitos de cálculo de acordo com os regulamentos existentes, sendo que nos projectos realizados em Portugal se destacam os Decretos-lei e os Decretos Regulamentares.
Para o dimensionamento de condutas para escoamentos sob pressão, exemplos das condutas de águas e petróleo, os factores preponderantes são os limites de velocidade e o valor mínimo de carga hidráulica necessário num determinado ponto da rede. Os valores limites de velocidade são controlados por dois motivos diferentes: com o valor mínimo pretende-se controlar as condições de auto-limpeza, enquanto que com o limite superior se pretende limitar as dissipações de energia e excessivas forças tangenciais nas paredes das tubagens. Em relação ao valor mínimo da carga hidráulica, este número possibilita que o fluído chegue a todos os pontos da rede em condições de ser aproveitado, isto é, qualquer local no sistema tem a possibilidade de ser um ponto de captação ou utilização do escoamento. Este valor de carga hidráulica não é constante ao longo de todo o sistema devido às perdas de carga locais ou contínuas existente na respectiva rede.
Nos estudos hidráulicos de sistemas de drenagem urbana os escoamentos são em geral em superfície livre, como são os casos dos sistemas de drenagem das águas residuais domésticas e pluviais. As verificações que necessitam de ser efectuadas para o caudal de cálculo são: a capacidade de transporte (verificada normalmente pela limitação da altura máxima do escoamento); a velocidade máxima do escoamento para o caudal de ponta do horizonte de projecto e, a velocidades mínima para o início de exploração. O caudal de dimensionamento é definido dependendo de se tratar de esgotos pluviais ou de esgotos comunitários (domésticos, industriais e comerciais), isto porque a origem do escoamento é diferente. Para esgotos domésticos a estimativa dos caudais é efectuada em função das populações servidas e das respectivas capitações. Para a estimativa dos caudais pluviais pode-se recorrer à fórmula do Método Racional para determinação do caudal de projecto:
b
A
I
C
Q
.
.
(1) sendo:Q = Caudal de ponta de cheia (m3/s)
C = Coeficiente que depende das características superficiais da bacia hidrográfica (-) I = Intensidade média de precipitação (m/s)
Ab = Área da bacia hidrográfica (m2)
A intensidade de precipitação é calculada através da fórmula (Quintela, 1996):
b
a
I
t (2)sendo:
a e b = Constantes que dependem da localização da bacia hidrográfica (-);
t = duração da chuvada crítica da bacia que corresponde, em geral, ao tempo de concentração (min.).
Por outro lado, por se tratar de sistemas de drenagem de águas residuais que se caracterizam por transportar uma grande quantidade de sólidos, é importante impedir a ocorrência de perturbações no escoamento, nomeadamente alguns entupimentos ou atritos que possam por em causa o bom funcionamento do sistema. Uma outra diferença entre os esgotos comunitários e esgotos pluviais relaciona-se com a altura máxima admissível do escoamento para os caudais de dimensionamento, isto porque em dimensionamentos de esgotos pluviais calculam-se os diâmetros para uma secção cheia, enquanto que nos esgotos residuais apenas é permitido utilizar meia secção de vazão para D<500 mm e 75% do diâmetro para D>=500 mm.
Tanto para a determinação das velocidades ou diâmetros das duas redes atrás mencionadas, pode-se utilizar a fórmula Manning-Strickler (Quintela, 1981):
2 / 1 3 / 2
i
AR
K
Q
s h (3) onde: Q = Caudal de cálculo (m3);Ks = Coeficiente de rugosidade de Manning-Strickler (m 1/3
s-1); A = Área da secção transversal da conduta (m2);
Rh = Raio hidráulico (m);
i = Inclinação da tubagem (m/m).
5.1.2 Estudo do Coeficiente de Rugosidade
O valor que representa o coeficiente de Manning-Strickler na expressão anterior é um valor tabelado, como é exemplo a tabela A1 do Anexo A, função do material da conduta. Para se verificar a veracidade desta ideia, realiza-se neste capítulo um estudo sobre a dependência de outros factores na escolha do valor correcto do coeficiente de rugosidade de
Manning-Strickler.
Para se realizar este estudo arbitraram-se uma gama de Diâmetros Nominais (DN) entre DN200 e DN2000, três valores padrão do coeficiente de rugosidade (75, 90 e 110), um valor constante de 0,5% como representante do declive da tubagem, e ainda, que o escoamento ocorria em secção cheia (Rh=D/4). Com estes dados arbitrados é fácil recorrer-se
escoamento, e de seguida pela fórmula de Darcy-Weisbach retirar-se o valor do factor de atrito, f (Lencastre, 1969):
g
U
D
L
f
H
2
2 (4) sendo:ΔH = Perda de carga ao longo do comprimento da tubagem (m.c.f.); f = Factor de atrito Darcy-Weisbach (-);
L = Comprimento da tubagem (m); U = Velocidade do escoamento (m/s); D = Diâmetro da tubagem (m); g = Aceleração da gravidade (m/s2).
Este factor de atrito também pode também ser determinado através de um processo iterativo pela equação de Colebrook-White (Manzanares, 1979):
f
D
k
f
Re
51
,
2
7
,
3
log
2
1
10 (5) sendo:f = Factor de atrito Darcy-Weisbach (-);
k = Rugosidade absoluta da parede da tubagem (m); D = Diâmetro da tubagem (m);
Re = Número de Reynolds (-).
Para avaliar o efeito do diâmetro da conduta no coeficiente de Manning-Strickler, com rugosidade absoluta constante, igualou-se o factor de atrito pela equação de Colebrook-White ao determinado pela fórmula de Darcy-Weisbach com as perdas de carga dadas pela expressão de Manning-Strickler. O valor da rugosidade absoluta da tubagem, segundo Baptista (1980), representa o diâmetro de um grão de areia necessário de revestir uma tubagem de vidro para que valor de rugosidade da tubagem de vidro seja igual ao da tubagem de projecto. Os resultados obtidos estão na tabela A2 apresentada no Anexos A e no gráfico 1:
Gráfico 1 – Relação entre o coeficiente de rugosidade de Manning-Strickler e o diâmetro das condutas.
Conclui-se assim, que o coeficiente de rugosidade de Manning-Strickler, a adoptar pode sofrer variações com algum significado, dependendo não só do material, característica que tem maior peso na relação com o coeficiente, mas também do diâmetro adoptado.
5.2 Dimensionamento estrutural
5.2.1 Considerações introdutórias
Após a escolha do material constituinte das condutas e do cálculo do diâmetro necessário para assegurar um bom desempenho hidráulico na rede, inicia-se o projecto estrutural, que poderá por si só alterar as escolhas anteriormente realizadas.
A verificação da segurança de qualquer estrutura de betão armado é realizada em relação a dois estados limites, que segundo o Regulamento de Segurança e Acções (2006) se designam por Estado Limite Último (E.L.Últimos) e verificação ao Estado Limite de Utilização (E.L.Utilização), onde se averiguam o colapso e a deformação, respectivamente.
Os fundamentos para a execução deste projecto estrutural baseiam-se nas teorias de
Marston e Spangler, criadores de alguns trabalhos que provaram que os seus conceitos,
teorias e procedimentos são adequados ao dimensionamento de condutas enterradas. Após a publicação destes projectos, surgiram novas ideias externas que serviram também para criticar as orientações dos dois pioneiros do tema, mas todas elas foram pouco significativas por nunca serem provadas em ensaios. As maiores críticas em relação a Marston e Spangler eram direccionadas para o dimensionamento pouco económico, pois consideravam serem projectos antieconómicos devido a se chegar a dimensões algo exageradas. (Neto e Figueiredo, 2002)
Baseadas nas expressões originais de Marston e Spangler desenvolveram-se no presente trabalho expressões simplificadas para o cálculo da carga aplicadas em condutas enterradas baseadas nas fórmulas originais dos dois autores já referidos. A resolução das equações de Marston e Spangler têm algum grau de complexidade porque necessita-se de determinar inicialmente qual o estado de projecção a executar, completa ou incompleta, processo que só é possível através de um cálculo iterativo para se chegar ao valor
