Compreender a Evacuaçäo Sifönica de Águas Pluviais
Compreender a Evacuaçäo Sifönica de Águas Pluviais
Rainwater Management Specialists
1
Índice
Introdução
3
Sistemas Gravitacionais
4
Sistemas Sifônicos de Auto-accionamento
5
Acção Sifónica de Auto-accionamento
7
Critérios de Design do Sistema Sifónico
12
Ecificações do Sistema Sifónico Auto-accionamento
13
Ilustrações
15
Tabela de peso dos encanamentos
18
Exemplo de Cálculo
19
Possibilidades de Instalação
22
2
Introdução
O objectivo deste documento é dar resposta às perguntas mais freqüentes que estes sistemas suscitam. O que são os sistemas sifónicos de evacuação de águas pluviais para telhados?
O propósito de qualquer sistema de evacuação é proteger um edifício e o que ele contiver, levando a água captada no telhado durante uma chuva até um sistema de drenagem subterrâneo, sem o risco de que a água da chuva entre no edifício.
Como os sistemas sifónicos são concebidos? Como garantir que o sistema sifónico se adapta perfeitamente ao edifício?
Neste diagrama pode-se reconhecer facilmente um edifício com uma típica instalação de evacuação de águas pluviais convencional Sistema típico de evacuação de águas pluviais pela gravidade 12 deságües e drenagem subterrânea com arquetas de inspecção para cada conexão. O diagrama abaixo representa um sistema de evacuação de águas pluviais sifónico Auto-accionamento para o mesmo edifício.
Sistema sifónico Auto-accionamento da Fullflow 1 deságüe 1 conexão subterrânea à parte externa do edifício
3
Sistemas Gravitacionais
Os sistemas convencionais de pluviais dependem das propriedades da água, da força gravitacional e das forças motoras que a fazem fluir. A água tenta chegar ao nível mais baixo possível e se estender sobre qualquer superfície que a suporte. É isto o que acontece quando a chuva cai sobre uma cobertura e flui através de uma calha. A profundidade da água que se acumula na calha proporciona a força motora, que faz com que a água da chuva corra em direção ao sumidouro. Estes sumidouros nada mais são que perfurações na base da calha. Conforme a água entra pelo tubo, o ar também o faz, formando um rodamoinho que reduz a eficiência do sistema.
Entrada de ar
Águas pluviais
Águas pluviais Profundidade Da água
Superfície da calha ou cota da cobertura
Rodamoinhos de água no interior do encanamento
O componente mais importante de qualquer sistema de pluviais tradicionais é o sumidouro de cobertura. Suas dimensões determinam a profundidade da água na calha ou na cobertura. Os tubos são dimensionados para trabalharem a pressão atmosférica e a água ocupa apenas entre 1/4 a 1/3 da parte do tubo. Ademais, no sistema convencional cada sumidouro tem sua própria caída para levar a água ao sistema de drenagem subterrâneo.
Sumidouro ligado a um desagüe
Sumidouro gravitacional em funcionamento
Ar que entra no sumidouro
Rodamoinho
4
Sistemas Sifônicos de Auto-accionamento
Há duas diferenças principais entre os sistemas de drenagem de coberturas convencionais e os sistemas sifónicos. Primeiro, os sumidouros sifónicos não são perfurados na base da calha, mas sim um elemento especial que impede a entrada de ar. Segundo, os encanamentos de pluviais são concebidos para funcionar por completo em 100% desde o nível da cobertura até o nível do chão para uma intensidade de chuva calculada no desenho.
A acção sifónica depende de que o ponto por onde o líquido sai do tubo esteja mais baixo que a superfície do liquido extraído. O volume do liquido no encanamento enche estes dois pontos que pode ser descrito como fonte de inércia hidráulica. A força de gravidade que age sobre a coluna de água (fonte de inércia hidráulica) dá lugar a uma redução da pressão em direção à parte superior do encanamento.
Ao forçar o encanamento para que a água possa fluir por completo entre o nível da cobertura e o ponto de descarga, os sistemas sifónicos podem conseguir caudais consideravelmente mais elevados que os sistemas convencionais similares. Como o encanamento está totalmente cheio de água, a “coluna de água” verdadeira é toda a altura do edifico, comparado com a profundidade de água na calha (geralmente 100 mm) proporcionado por um sistema convencional. A diferença entre forças motoras demonstra que os sistemas sifónicos podem evacuar até dez vezes mais caudal que os sistemas similares por força gravitacional.
Profundidade da água que ativa o sistema gravitacional
Nivel da cobertura
Toda a altura do edifício ativa o sistema sifónico
Gravitatorio
Sifónico
As vantagens do sistema sifônico, aplicado a grandes edifícios industriais e comerciais são: Maior capacidade de caudal do que um sistema gravitacional.
Uso mais flexível da gestão do espaço interno do edifício.
Instalação de colectores horizontais para levar a água para fora do edifício. Mínima quantidade de sumidouros.
Possibilidade de escolher a localização do encanamento e deságües a partir da fase de estudos.
Eliminação de deságües internos.
O sistema sifônico é auto-limpante.
Diâmetros reduzidos de encanamentos
Menos encanamento, menos conexões, menos riscos de infiltração de água
Eliminação significativa da rede de drenagem subterrânea e dos deságües no edifício.
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Sistemas Sifônicos de Auto-accionamento
Acção Sifônica Para uma melhor percepção, a seguir pode-se ver a semelhança entre o funcionamento de um sifão e o sistema sifônico. Para isto vamos basear-nos na equação de Bernuolli para o caso da água:
H
z
2 p v
2g
Sendo: H: altura de energia disponível em metros de coluna de água (mca) Z: altura geométrica (m) P: pressão manométrica (mca) v: velocidade da água no ponto considerado (m/s) g: aceleração da gravidade (m/s2)
3 1 2 1
4
Coluna de Agua
2
3 4 5
Agua
5
1.
Em ambos os sistemas existe pressão atmosférica. A altura de energia disponível se corresponde com a diferença de cota entre o início do sistema e o ponto de descarga.
2.
No sistema existe um decréscimo gradual da pressão. No sifão tradicional é conseqüência do aumento da altura geométrica (z), enquanto no sistema de encanamentos é devido ao aumento da velocidade (v).
3.
O sistema atinge a depressão máxima coincidindo com o ponto de cota máxima. Neste ponto dá-se a maior sucção, aumentando a tendência de introduzir água no interior do sistema.
4.
A diminuição da altura provoca um aumento da pressão no interior do sistema mantendo-se, geralmente, a velocidade.
5.
No ponto de descarga voltamos a ter pressão atmosférica. A energia potencial disponível no ponto inicial, descontadas as perdas de descarga, se transformou em energia cinética.
.
6
Acção Sifónica de Auto-accionamento
Para obter o máximo rendimento dos sistemas sifónicos de Auto-accionamento, se deve adotar um enfoque integral na sua elaboração e construção. Os sistemas sifónicos representam um nível de tecnologia superior ao dos sistemas gravitacionais e, por isto, requerem um grau proporcionalmente maior de entendimento e experiência. O regime de fluxos dentro de um sistema sifônico integral se desenvolve através dos ciclos conforme as fases de uma chuvada. Ao início, o fluxo através de um sistema sifónico se comporta como num sistema gravitacional, provocando o enchimento parcial do cano.
Sentido do fluxo
Fase 1 - (Fluxo Gravitacional)
Fase 2 À seção vai enchendo-se conforme aumenta a intensidade da chuvada. Exclui-se o ar do sistema dentro do sumidouro por meio da placa anti-rodamoinho (peça-chave do sumidouro). Inicia-se a acção sifónica dentro da rede de encanamentos conforme aumenta a velocidade do caudal, fazendo com que o ar que tiver entrado com a água se transforme em borbulhas. Esta mistura de água se elimina depois através da rede de encanamentos.
Sentido do fluxo
Fase 2 - (Fluxo de tampões)
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Acção Sifónica de Auto-accionamento
Fase 3 Conforme se desenvolve o processo de auto-captação até a condição se seção cheia, o caudal circulante, e, portanto a quantidade de água que a cobertura ou a calha deita, vai aumentar. Assim, se poderia dizer que o sistema “está acelerando-se até a capacidade estabelecida”.
Sentido do fluxo
Fase 3 - (Fluxo de borbulhas)
Fase 4 Se a densidade pluviométrica aumenta até a intensidade de cálculo do sistema, manter-se-á a acção sifónica. Quando a intensidade da chuvada começar a reduzir, não haverá água suficiente para manter a acção sifónica do sistema. Então, provocará a caída nos níveis de água permitindo a entrada de ar nos encanamentos, rompendo a acção sifónica.
Sentido do fluxo
Fase 4 – (Fluxo com a seção cheia)
8
Acção Sifónica de Auto-accionamento
Portanto, um sistema sifónico flutua de um regime gravitacional até a acção sifónica durante uma chuvada. O sistema sifónico funciona com baixa capacidade nas fases iniciais da chuvada; embora possa aumentar automaticamente sua capacidade até seu caudal extremo (se for necessário) quando aumenta a intensidade pluviométrica. Assim, a ação de captação é um fator que contribui para o rendimento de um sistema sifónico. A velocidade de eliminação do ar do encanamento aumenta na proporção da velocidade e turbulência da água. A forma do sumidouro evita que o ar entre no encanamento e aumenta a velocidade da água conforme sua fluidez dentro do sistema.
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Acção Sifónica de Auto-accionamento
Sumidouros Sifônicos de Auto-accionamento ®
O sumidouro Primaflow é uma peça-chave no sistema de drenagem. Seu design e forma são essenciais para a eficiência do sistema sifónico. O sumidouro e seus componentes iniciam o processo de captação que é fundamental para estabelecer a acção sifónica. O sumidouro deve evitar a entrada de ar no sistema. Caso contrário, os encanamentos não poderiam funcionar quando estiveram totalmente cheios. Grade protectora
Placas separadoras
Placa anti-turbilhonamento
Parafusos de fixação Prato
Flange
A placa anti-rodamoinho é uma peça chave do sumidouro sifónico. Serve para evitar a formação de um núcleo aberto de ar por onde entraria grande quantidade de ar pelo encanamento. A acção sifónica começa quando há suficiente água disponível para cobrir a superfície superior da placa anti-rodamoinho, justo quando a chuva tapa a borda da placa impedindo a entrada de ar. A localização da placa anti-rodamoinho dentro do sumidouro determina o nível de água para começar a acção sifónica. A combinação da posição da placa anti-rodamoinho e a forma do sumidouro determinam a atividade de captação. O aumento na velocidade obtido pela forma lisa e hidrodinâmica do sumidouro e a baixa posição da placa anti-rodamoinho propicia a característica auto-calectora. Isto permite o início da acção sifónica com baixas velocidades de fluxos, ao criar deliberadamente uma densa coluna em altas velocidades na saída do sumidouro, que corre em velocidade suficiente para superar a tendência natural do ar para flutuar. Isto garante que o ar dentro do sistema seja empurrado pela rede de encanamentos e escoado pelo deságüe para produzir o efeito sifónico pleno em todo o sistema.
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Acção Sifónica de Auto-accionamento
Portanto, as características desejáveis de um sumidouro sifónico são: Auto-colectadora (minimizando a profundidade da água na calha o na cobertura);
Baixos índices de perda;
Aumenta a velocidade do caudal;
Resposta rápida com alterações na velocidade do caudal.
Limita a entrada de ar à profundidades mínimas de água;
Nível da calha ou da cobertura
Água que cobre a placa anti-rodamoinho com caudal baixo
Aceleração da velocidade da água
Núcleo com alta velocidade de água (sem ar)
Materiais utilizados ®
Fabricamos nossos sumidouros Primaflow nos seguintes materiais: Alumínio
ço inoxidável (AISI 304, AISI 316).
Alumínio revestido com PVC (ou conforme o revestimento da cobertura)
Aço doce galvanizado
Os materiais disponíveis para encanamento são:
Alumínio soldado longitudinalmente conforme EN 754
Aço inoxidável (AISI 304, AISI 316).
Alumínio extrusado conforme EN 755
Polietileno alta densidade (PEAD) conforme EN12201
Fundição de ferro conforme EN 877 Polietileno alta pressão (PEAP) conforme EN12201
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Critérios de Design do Sistema Sifónico
O designer de um sistema sifónico deve solucionar o problema de mecânica de fluidos apresentada pela altura do edifício e quantidade de água de chuva gerada por uma tempestade. Usa-se a equação de Bernoulli se conservação da energia para determinar as condições de fluxo entre dois pontos do sistema::
Bernoulli’s Energy Equation (h1
h2 )
( z1
Q
z2 )
2
2g
1 ( A1 )²
1 ( A2 )²
K 1, 2
Q² 2 g ( A2 )²
i1, 2 L1, 2
Onde h = pressão (m), z = altura (m), Q = caudal (m3/s), g = gravidade (m/s2), A = área (m2), K = perda de energia nas juntas (m), i = gradiente hidráulico (m/m) y L = longitude (m). Na equação de Bernoulli, os termos no lado esquerdo indicam as mudanças na energia total do caudal, atribuíveis à energia da pressão. (h1-h2), energia potencial (z1-z2), e a energia cinética correspondente
Os dois termos do lado direito da equação determinam a perda de energia entre dois pontos. O primeiro termo expressa as perdas nas curvas, acessórios e mudanças na área de seção do encanamento. O termo restante cobre as perdas por fricção ao longo do encanamento entre os dois pontos.
Mostra-se à seguir o cálculo da gradiente de energia que se costuma obter com a fórmula de Colebrook-White:
Colebrook-White Equation i
Q
2
2
8 gA2 D
log 10
ks 3 .7 D
2.51 D 2 gDi
Onde i = gradiente hidráulica (m/m), Q = caudal (m3/s), g = gravidade (m/s2), A = área (m2), ks = rugosidade do tubo (m), D = diâmetro (m), v = viscosidade (m/s2). São aplicadas estas duas equações em toda a rede de encanamentos para se obter então o desenho sifónico. Devido à complexidade das equações e o número de cálculos que o desenho de um sistema sifónico requer, tornase evidente a necessidade de um programa informático de análise concebido especificamente para esta finalidade. O sistema sifónico é o resultado de um cuidadoso dimensionamento de uma rede de encanamentos, que se adapta com precisão à resistência da mencionada rede à altura do edifício conforme os parâmetros de design de capacidade de caudal utilizando como ferramenta o programa informático Primacalc ®
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Ecificações do Sistema Sifónico Autoaccionamento
Todos os processos de design requerem dados iniciais para começar a dar forma e gerar informação como parte do mencionado design. A capacidade de se comunicar e de utilizar tal informação de maneira eficaz é essencial no sucesso do projeto.
Conexões Ao avaliar o que deve ser incluído nestas especificações, é essencial ver os princípios dos sistemas sifónicos. Em relação à cobertura, o engenheiro precisa saber:
Os fatores a levar em conta para a instalação do sumidouro sifónico na calha ou cobertura são:
A superfície da cobertura.
A forma e o design do sumidouro sifónico.
O tipo de cobertura
Forma de instalação (parafusado, soldado ou com anéis...). A localização. A compatibilidade de materiais
Em relação à informação sobre o Edifício, o engenheiro requer uma série de dados: Altura do edifico. Mapa do traçado preferente dos encanamentos Condições ambientais dentro do edifício (temperatura, umidade). Necessidade de um material específico para os encanamentos
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Ecificações do accionamento
Sistema
Sifónico
Auto-
No que se refere ao Sistema de Drenagem Subterrâneo, é o ponto onde as águas pluviais desembocam e o sifão se rompe. O ponto de conexão entre os dois sistemas é apenas mais um dos critérios necessários para o estudo. O funcionamento do sistema sifónico pode ver-se afetado negativamente pela forma da drenagem subterrânea. Para otimizar o funcionamento do sistema sifónico de drenagem, o designer deve levar em conta os seguintes fatores-chave:
O sistema sifónico descarregará a seção cheia em alta velocidade e no caudal especificado nos planos (uma tabela para cada deságüe) A conexão com a rede subterrânea deve ser dimensionada para evacuar a descarga do sistema sifónico sem trabalhar a seção cheia. Para romper a ação sifónica, se deve permitir a entrada de ar no sistema de drenagem subterrâneo para garantir que os encanamentos subterrâneos não entrem em carga.
DP
:
01
Ø
:
160
l/s
:
73
m/s
:
35
- Referência deságüe
-Diâmetro de deságüe (mm) - Caudal
-Velocidade
O sistema de drenagem sifónico tem que descarregar acima da cota máxima da rede subterrânea.
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Ilustrações
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Ilustrações
Conexão com a rede subterrânea ( neste caso, ao nível do solo).
Barras de suporte de encanamento.
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Ilustrações
Barras de suporte de encanamento.
Conexão dos sumidouros e colectores na cobertura
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Tabela de peso dos encanamentos
Exemplos de diam. de encanamento (mm) 50
Peso por metro com barras e água (Kg)
63
4,25
75
5,55
90
7,50
110
10,65
125
13,40
160
21,50
200
33,10
250
50,75
315
79,60
3,10
Como resumo, o cliente deve fornecer pelo menos os seguintes dados para que os engenheiros possam fazer um estudo: Superficie da cobertura.
localização das conexões para a rede subterrânea
tipo de cobertura
sobrecarga admitida da estrutura e correia, assim como sua localização.
altura do edifício (com mapa de seção do edifício) Traçado proposto para o encanamento (sobre mapa de planta)
Intensidade pluviométrica ou dados para seu cálculo (localização, período de retorno, etc.).
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Exemplo de Cálculo
A fim de ilustrar um exemplo de cálculo Primacalc, podem ver a seguir um exemplo teórico com 4 sumidouros Primaflow de 75 mm de diâmetro com um caudal individual de 30 l/s (ver figura 5.1 Isométrico). Vamos supor que cada sumidouro capta a água da chuva de uma cobertura de 600 m2. Na tabela 5.2 estão indicados ábacos com os recursos dos dois tipos de sumidouros Primaflow tanto no caso de uma calha ou como no de uma cobertura. A altura geométrica do edifício será de 10,14m e a água de chuva captada pelo sumidouro desce 1m, começando uma trajetória horizontal (a longitude mais longa percorrida é de 39m). No final desse percurso, a água flui pelo deságüe vertical de 9m. Este deságüe em geral é colocado junto aos pilares do edifício. Finalmente, as pluviais saem do edifício com um troço de 3 m antes de descarregar num poço de registro onde se rompe a ação sifónica. Uma vez preparado este traçado isométrico (os canos se definem por segmentos entre os nós indicados), e com os caudais especificados, o programa de cálculo começa a fazer um primeiro dimensionamento. Depois, o engenheiro utiliza tais resultados para acertar o dimensionamento levando em conta as restrições já discriminadas (velocidades, pressões, equilíbrio...).
5.1. Isométrico
39 m
9m
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Exemplo de Cálculo
NA CALHA 90.00
PROFUNDIDADE DE AGUA (mm)
80.00 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
16.00
CAUDAL (l/s)
EM COBERTURA PLANA 100 90
PROFUNDIDADE DE AGUA (mm)
80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
5
10
15
20
25
30
35
CAUDAL(l/s) ®
5.2. Eficacia de Os sumidouros Primaflow
Sumidouro Primaflow 56 mm
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Exemplo de Cálculo
O programa possibilita a impressão de vários resultados de cálculo, tais como a lista de fluxo por encanamentos (ver tabela 5.3, lista de encanamentos). Para voltar ao nosso exemplo de cálculo, os troços de deságüe ou coletores se definem pelo nó superior, o nó inferior e seu sentido. Para cada tubo, indica-se o diâmetro, a longitude, o caudal, a velocidade, as perdas unitárias e totais, as pressões e o tipo de material utilizado.
5.3. Listado de tubería Para garantir que o sistema funcionará corretamente, utilizam-se “reservas” para os sumidouros. Estas reservas com a diferença da altura geométrica do sumidouro (energia total disponível para o funcionamento do sistema) e as perdas de carga totais ao longo do percurso. As reservas devem ser positivas (ou seja, a energia consumida deve ser inferior à energia potencial disponível). Ademais, a diferença entre as reservas dos vários sumidouros não deve ultrapassar 1m para garantir o equilíbrio do sistema. Com o programa Primacalc deve-se comprovar que a velocidade mínima seja superior a 1m/s para que o sistema seja auto-limpante, garantir uma rápida alimentação do encanamento e que a depressão máxima não supere 8m de coluna de água. Uma vez verificados todos os critérios de estudo, o engenheiro tem uma confirmação das dimensões do sistema. Por último, indicamos os caudais, velocidades e diâmetros dos deságües nos nossos planos, permitindo começar o dimensionamento da rede subterrânea.
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Possibilidades de Instalação
Generalidades Com o conceito-chave em mãos, a Fullflow fornece os encanamentos pré-montados em oficina (montados em barras), assim como os sumidouros, além de garantir a montagem e as conexões dos encanamentos. Tais conexões são feitas por meio de soldadura máxima (com placa térmica) e/ou mangueiras eletro-soldáveis para tubos de Polietileno de Alta Densidade (PEAD), ou com acessórios e peças de acordo com as especificações. O sistema é auto-limpante, os pontos de registro para os encanamentos não são necessários (exceto em casos específicos). Porém, tal como um sistema gravitacional, é necessário uma manutenção periódica das calhas e dos sumidouros.
Instalação dos sumidouros O tipo de sumidouro depende do material da cobertura. O sumidouro Primaflow é instalado da maneira tradicional. Fornecemos com as peças um manual de montagem para cada modelo. O prato do sumidouro precisa de um espaço na cobertura para o qual poderá ser necessário: Cortar parte do isolamento térmico Cortar nervuras das chapas metálicas Em alguns casos, serão necessários reforços. A instalação dos sumidouros no revestimento da cobertura requer uma coordenação com a empresa responsável pela cobertura.
Instalação dos encanamentos A instalação é realizada pela Fullflow Sistemas com métodos tradicionais e de acordo com as recomendações dos fabricantes. Os sistemas de suspensão por barras fazem parte do estudo detalhado e individual de cada projeto. Para as redes em PEAD, pré-montamos os encanamentos em seções modulares de 6m de longitude incluindo redutores, conexões e barras de suspensão nos lugares previamente definidos no estudo. Depois, é só soldar as peças pré-fabricadas na obra para a execução do sistema.
Fabricação e controlo A Fullflow recebeu a certificação ISO 9001 para o estudo, fabricação de sistema de drenagem de águas pluviais sifónicos e Plasflow, uma empresa da Fullflow Group Ltd., tem certificado ISO 9002 versão 2000 para a fabricação e distribuição de encanamentos termoplásticos.
Qualidade dos nossos estudos Todos os estudos da Fullflow são garantidos pela certificação ISO 9001 e considerando as legislações nacionais e européias. Obtivemos inúmeros certificados do setor de edificação em vários países, inclusive em Espanha (Documento de Idoneidade Técnica), França (Avis Technique), Inglaterra (BBA). Por favor, consultem nosso sítio na Internet para maiores detalhes www.fullflow.com
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Fullflow International Fullflow House Holbrook Avenue Holbrook Sheffield S20 3FF United Kingdom Tel: +44 (0) 114 247 3655 Fax: +44 (0) 114 247 7805 Email: info@uk.fullflow.com www.fullflow.com Member of SWP Group Plc
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