Trabalho sobre drenagem pluvial, Trabalhos de Hidráulica

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FACULDADE INTERNACIONAL DA PARAÍBA

GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL

DRENAGEM URBANA

Débora de Almeida Heberth Miranda Thayrone Damon DRENAGEM PLUVIAL João Pessoa-PB Junho de 2016

Débora de Almeida Heberth Miranda Thayrone Damon DRENAGEM PLUVIAL Prof.º Orientadora: Arnaldo Almeida João Pessoa – PB Junho de 2016 Trabalho escrito apresentado ao curso de Engenharia Civil da Faculdade Internacional da Paraíba, sob a disciplina de Drenagem Urbana, expondo o tema Drenagem Pluvial.

• 1. INTRODUÇÃO.............................................................................................................
  • 1.2. Nomenclatura básicas.............................................................................................
• 2. SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS..............................................
  • 2.1. Considerações gerais..............................................................................................
  • 2.2. Constituição do sistema..........................................................................................
    • 2.2.1. Aspectos de concepção....................................................................................
    • 2.2.2 Principais Componentes...................................................................................
• 3. CHUVAS.....................................................................................................................
  • 3.1. Introdução.............................................................................................................
  • 3.2 Tipos de Chuva......................................................................................................
  • 3.3 Medição de chuva..................................................................................................
  • 3.4 Intensidade de chuva.............................................................................................
• 4. DEFLÚVIO SUPERFICIAL DIRETO.......................................................................
  • 4.1 Generalidades........................................................................................................
  • 4.2 Métodos Analíticos................................................................................................
  • 4.3 Método Racional....................................................................................................
    • 4.3.1 Aplicação........................................................................................................
    • 4.3.2 Fórmula...........................................................................................................
    • 4.3.3 Limitações......................................................................................................
    • 4.3.4 Tempo de concentração..................................................................................
    • 4.3.5 Intensidade média das precipitações...............................................................
    • 4.3.6 Coeficiente de Deflúvio Superficial Direto....................................................
• 5. SARJETAS..................................................................................................................
  • 5.1 Definições..............................................................................................................
  • 5.2 Capacidade Teórica...............................................................................................
  • 5.3 Descarga Admissível.............................................................................................
  • 5.4 Informações gerais para projetos...........................................................................
• 6. Bocas coletoras............................................................................................................
  • 6.1 Definição...............................................................................................................
  • 6.2 Classificação..........................................................................................................
• 7. GALERIAS.................................................................................................................
• 8. POÇOS DE VISITAS..................................................................................................
  • 8.1 Definições..............................................................................................................
  • 8.2 Disposição Construtiva..........................................................................................
  • 8.3 Localização............................................................................................................
• 9. PROJETO HIDRÁULICO..........................................................................................
  • 9.1 Dados básicos........................................................................................................
  • 9.2 Elaboração do projeto............................................................................................
  • 9.4 Planilha de cálculos...............................................................................................
  • 9.5 Recomendações Usuais para Projetos...................................................................
• 10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................................................

1. INTRODUÇÃO

Drenagem é o termo empregado na designação das instalações destinadas a escoar o excesso de água, seja em rodovias, na zona rural ou na malha urbana, sendo que a drenagem desta última é o objetivo da nossa disciplina. A drenagem urbana não se restringe aos aspectos puramente técnicos impostos pelos limites restritos à engenharia, atenuação dos riscos e dos prejuízos decorrentes de inundações aos quais a sociedade está sujeita. O caminho percorrido pela água da chuva sobre uma superfície pode ser topograficamente bem definido, ou não. Após a implantação de uma cidade, o percurso caótico das enxurradas passa a ser determinado pelo traçado das ruas e acaba se comportando, tanto quantitativa como qualitativamente, de maneira bem diferente de seu comportamento original. As torrentes originadas pela precipitação direta sobre as vias públicas desembocam nos bueiros situados nas sarjetas. Estas torrentes (somadas à água da rede pública proveniente dos coletores localizados nos pátios e das calhas situadas nos topos das edificações) são escoadas pelas tubulações que alimentam os condutos secundários. O sistema de drenagem natural e o destino final das aguas captadas pela drenagem primária é chamado Sistema de Macrodrenagem. O sistema responsável pela captação inicial da água pluvial e sua condução até o sistema de macrodrenagem é denominado Sistema de microdrenagem. De uma maneira geral, as águas decorrentes da chuva (coletadas nas vias públicas por meio de bocas-de-lobo e descarregadas em condutos subterrâneos) são lançadas em cursos d’água naturais, no oceano, em lagos ou, no caso de solos bastante permeáveis, esparramadas sobre o terreno por onde infiltram no subsolo. De qualquer maneira, é recomendável que o sistema de drenagem seja tal que o percurso da água entre sua origem e seu destino seja o mínimo possível. Além disso, é conveniente que esta água seja escoada por gravidade. Porém, se não houver possibilidade, pode-se projetar estações de bombeamento para esta finalidade. 1.2. Nomenclatura básicas Para se compreender o sistema de drenagem urbana pluvial temos que entender as diversas terminologias utilizadas para este fim, terminologia essa que é própria e seus elementos se tornam frequentes e serão definidas logo abaixo: Greide: é uma linha do perfil correspondente ao eixo longitudinal da superfície livre da via pública. Guia: também conhecida como meio-fio, é a faixa longitudinal de separação do passeio com o leito viário, constituindo-se geralmente de peças de granito argamassadas. Sarjeta: é o canal longitudinal, em geral triangular situado entre a guia e a pista de rolamento, destinado a coletar e conduzir as aguas de escoamento superficial até os pontos de coleta.

Poços de visita : são câmaras visitáveis situadas em pontos previamente determinados, destinadas a permitir a inspeção e limpeza dos condutos subterrâneos. Poço de visita técnica Trecho de galeria: é a parte da galeria situada entre dois poços de visita consecutivos. Caixas de ligação: também denominadas de caixas mortas, são caixas de alvenaria subterrâneas não visitáveis, com finalidade de reunir condutos de ligação ou estes à galeria. Chuva intensa: precipitação com período de retorno de 100 anos. Chuva frequente: precipitação com período de retorno de até 10 anos. Chuva torrencial: precipitação uniforme sobre toda a bacia. Pluviômetro: instrumento que mede a totalidade da precipitação pela leitura do líquido acumulado em um recipiente graduado – proveta Pluviógrafo: instrumento que registra em papel milimetrado especialmente preparado, a evolução da quantidade de água que cai ao longo da precipitação, ou seja, mede a intensidade de chuva.

2. SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS

2.1. Considerações gerais O crescimento e expansão urbana, caracterizados nas últimas décadas por um ritmo particularmente acelerado de urbanização de áreas inicialmente rurais, tem criado profundas alterações no ciclo hidrológico natural e motivado a ocorrência de situações ameaçadoras do desenvolvimento equilibrado e estável do habitat humano. Como exemplo dessas situações podem citar-se as seguintes:  Entrada frequente em funcionamento de descarregadores de tempestade, com descarga de caudais para o meio ambiente e incremento de poluição dos meios receptores;  Comportamento hidráulico deficiente das redes de drenagem pluvial, devido a subdimensionamento ou a entupimentos e obstruções das secções de escoamento, com consequente entrada em carga de coletores e inundação dos pontos baixos das bacias drenadas;  Subdimensionamento dos dispositivos interceptores de águas pluviais, nomeadamente das sarjetas de passeio e dos sumidouros de grades, com consequentes inundações. Não aproveitamento integral da capacidade de transporte dos sistemas de drenagem enterrados. Descarga de escorrências pluviais caídas em zonas pavimentadas, em meios receptores sensíveis. A tomada de consciência dessas situações veio operar uma profunda alteração dos conceitos de análise e dimensionamento dos equipamentos urbanos de drenagem, evoluindo a própria concepção e cálculo dos sistemas, por forma a um ajustamento mais adequado às formas diversificadas de crescimento urbano e de ocupação do solo. Os aspectos quantitativos da drenagem pluvial constituem, no entanto, apenas uma parcela do domínio da hidrologia urbana, assumindo importância crescente todos os aspectos relacionados com a gestão da água e da análise dos aspectos de qualidade relacionados com a rejeição de cargas poluentes veiculadas pelas águas pluviais. Iremos apresentar os principais componentes e os princípios de concepção e de dimensionamento dos sistemas de drenagem de águas pluviais. Para além dos critérios e procedimentos de cálculo dos caudais e coletores de águas pluviais, é dada ênfase às expressões de cálculo de capacidade de dispositivos interceptores e a concepção e cálculo de bacias de retenção e de câmaras de retenção. Ênfase particular é também dada aos aspectos de qualidade da água das escorrências pluviais e ao impacte dessas águas nos meios receptores. 2.2. Constituição do sistema 2.2.1. Aspectos de concepção O elevado custo dos investimentos afetos aos sistemas de drenagem de água pluvial, relativamente ao das outras infraestruturas urbanas, torna especialmente relevante a necessidade de se implementarem soluções tecnicamente adequadas, mas também economicamente viáveis. O princípio de dimensionar, em toda a extensão de um aglomerado urbano, uma rede de coletores para drenar os caudais de ponta de cheia, provocadas por precipitações de curta duração e de intensidade elevada, conduz, na maioria das vezes, a soluções

dificuldade de se manterem as condições satisfatórias de funcionamento dos grupos eletrobomba e da conduta de impulsão.

3. CHUVAS 3.1. Introdução As águas de drenagem superficial são fundamentalmente originárias de precipitações pluviométricas cujos possíveis transtornos que seriam provocados por estes escoamentos, devem ser neutralizados pelos sistemas de drenagem pluviais ou esgotos pluviais. As precipitações pluviométricas podem ocorrer tanto da forma mais comum conhecida como chuva, como em formas mais moderadas como neblinas, garoas ou geadas, ou mais violentas como acontece nos furacões, precipitações de granizo, nevascas, etc., no entanto nas precipitações diferentes das chuvas comuns as providências coletivas ou públicas são de natureza específica para cada caso. 3.2 Tipos de Chuva São três os tipos de chuvas para a Hidrologia: chuvas convectivas, chuvas orográficas e chuvas frontais. As convectivas são precipitações formadas pela ascensão das massas de ar quente da superfície, carregadas de vapor d'água. Ao subir o ar sofre resfriamento provocando a condensação do vapor de água presente e, consequentemente, a precipitação. São características deste tipo de precipitação a curta duração, alta intensidade, frequentes descargas elétricas e abrangência de pequenas áreas. As chuvas orográficas são normalmente provocadas pelo deslocamento de camadas de ar úmido para cima devido a existência de elevação natural do terreno por longas extensões. Caracterizam-se pela longa duração e baixa intensidade, abrangendo grandes áreas por várias horas continuamente e sem descargas elétricas. As chuvas frontais originam-se do deslocamento de frentes frias ou quentes contra frentes contrárias termicamente, são mais fortes que as orográficas abrangendo, porém, como aquelas, grandes áreas, precipitando-se intermitentemente com breves intervalos de estiagem e com presença de violentas descargas elétricas. 3.3 Medição de chuva Dois aparelhos são comumente empregados nas medições das chuvas. São eles o pluviômetro e o pluviógrafo. O pluviômetro é mais utilizado devido a simplicidade de suas instalações e operação, sendo facilmente encontrados, principalmente nas sedes municipais.

No pluviômetro é lido a altura total de água precipitada, ou seja, a lâmina acumulada durante a precipitação, sendo que seus registros são sempre fornecidos em milímetros por dia ou em milímetros por chuva, com anotação da mesma dependendo da capacidade e do capricho do operador O pluviógrafo é mais encontrado nas estações meteorológicas propriamente ditas e registra a intensidade de precipitação, ou seja, a variação da altura de chuva com o tempo. Este aparelho registra em uma fita de papel em modelo apropriado, simultaneamente, a quantidade e a duração da precipitação. A sua operação mais complicada e dispendiosa e o próprio custo de aquisição do aparelho, tornam seu uso restrito, embora seus resultados sejam bem mais importantes hidrologicamente. Instalação de um Pluviômetro Pluviógrafo: Esquema de funcionamento

Durante uma precipitação sobre o receptor a água escorre por um funil metálico 2, até o cilindro de acumulação 3. Neste cilindro encontra-se instalado um flutuador 4 ligado por uma haste vertical 6 a um suporte horizontal 9, que por sua vez possui em sua extremidade uma pena 8 que imprime sobre o papel do cilindro de gravação 5 a altura acumulada de água no cilindro de acumulação 3. Deste último, também parte um sifão 11 que servirá para esgotamento da água quando esta atingir uma altura máxima, despejando o volume sifonado em um vasilhame 10 localizado na parte inferior da instalação. Essa altura máxima é função da capacidade de registro vertical no papel, ou seja, quando a pena atinge a margem limite do papel, imediatamente ocorre o esgotamento, possibilitando que a pena volte a margem inicial continuando o registro acumulado. 3.4 Intensidade de chuva É a quantidade de chuva por unidade tempo para um período de recorrência e duração previstos. Sua determinação, em geral, é feita através de análise de curvas que relacionam intensidade/duração/frequência, elaboradas a partir de dados pluviográficos anotados ao longo de vários anos de observações que antecedem ao período de determinação de cada chuva. Para localidades onde ainda não foi definida ou estudada a relação citada, o procedimento prático é adotar-se, com as devidas reservas, equações já determinadas para regiões similares climatologicamente.

4. DEFLÚVIO SUPERFICIAL DIRETO 4.1 Generalidades Denomina-se deflúvio superficial direto o volume de água que escoa da superfície de uma determinada área devido a ocorrência de uma chuva torrencial sobre aquela área. A determinação precisa deste volume de água acarretará, consequentemente, condições para que sejam projetadas obras dimensionadas adequadamente, alcançando-se os objetivos pretendidos com a implantação de qualquer sistema de drenagem indicado para a área. Para determinação desse volume, vários métodos são conhecidos, os quais podem ser classificados nos grupos abaixo: a) medições diretas; b) processos comparativos; c) métodos analíticos; d) fórmulas empíricas. As medições diretas e processos comparativos restringem-se mais para determinações de vazões em cursos de água perenes tais como córregos, pequenos canais, etc, ficando praticamente sem utilização em projetos de micro-drenagem em geral. As fórmulas empíricas são resultantes de equacionamento de um grande número de observações

sendo, por isso, bastante confiáveis, mas de utilização restrita a localidade de origem das observações ou regiões similares. Procedimentos mais frequentemente empregados, tanto para obras de micro-drenagem como para de macrodrenagem, são os de natureza analítica, visto que trazem na sua definição estudos matemáticos/empíricos que promovem maior credibilidade aos seus resultados. Diante do exposto os métodos analíticos é que serão objeto de estudos a seguir. 4.2 Métodos Analíticos Como métodos analíticos são conhecidos os três seguintes: Método Racional, Método do Hidrograma Unitário e a Análise Estatística. Para obras de micro-drenagem e método mais empregado em todo o mundo ocidental é o Método Racional, por ser o de mais fácil manipulação, mas, devido a sua natureza simplificada da tradução do fenômeno, não é recomendável para o cálculo de contribuições de bacias com áreas superiores a 1,0 km2. Para bacias de drenagem com área superior a 1,0 km2 justifica-se uma análise mais acurada, pois a simplificação dos cálculos poderá acarretar obras super ou subdimensionadas do ponto de vista hidráulico. Recomenda-se que para obras de drenagem de áreas de contribuição superiores a 100 hectares seja utilizado o Hidrograma Unitário Sintético, desde que a elaboração do mesmo seja baseada em dados obtidos através de análises da área em estudo. A Análise Estatística é recomendada para cursos de águas de maior porte, onde a área de contribuição seja superior a 20 km2, servindo essencialmente para previsão dos volumes de cheias. A limitação do método está na exigência de um grande número de observações bem como na sua alteração presente ou futura das características da área contribuinte, pois os dados obtidos anteriormente tornar-se-iam obsoletos. Sendo assim conclui-se que o Método Racional deva ser objeto de estudo mais detalhado a seguir, por ser este o indicado para projetos de micro-drenagem em geral. 4.3 Método Racional 4.3.1 Aplicação Originário da literatura técnica norte-americana (Emil Kuichling - 1890) o Método Racional traz resultados bastante aceitáveis para o estudo de pequenas bacias (áreas com até 100 hectares), de conformação comum, tendo em vista a sua simplicidade de operação bem como da inexistência de um método de melhor confiabilidade para situações desta natureza. Menores erros funcionais advirão da maior acuidade na determinação dos coeficientes de escoamento superficial e dos demais parâmetros necessários para determinação das vazões que influirão diretamente nas dimensões das obras do sistema a ser implantado.

provenientes de áreas superiores a 100 ha. Nestes termos, o método racional apresenta- se como bastante razoável para o cálculo de sistemas de micro-drenagem superficial, fato este comprovado, ao longo dos anos, após sua criação. 4.3.4 Tempo de concentração Conceitua-se tempo de concentração como o espaço de tempo decorrido desde o início da precipitação torrencial sobre a bacia até o instante em que toda esta bacia passa a contribuir para o escoamento na secção de jusante da mesma. Em um sistema de galerias corresponde a duas parcelas distintas, sendo a primeira denominada de "tempo de entrada", ou seja, tempo necessário para que as contribuições superficiais atinjam a secção inicial de projeto, enquanto que a segunda corresponde ao tempo gasto pelo escoamento através dos condutos, a partir do instante em que toda a bacia passa a contribuir para a secção em estudo. Esta parcela é denominada de "tempo de percurso". O tempo de percurso, como o próprio conceito mostra, tem cálculo puramente hidráulico, visto que o mesmo é função das velocidades nos trechos de montante, enquanto que o tempo de entrada depende essencialmente da conformação superficial da bacia, variando inversamente com a intensidade de chuva. Deve-se observar também que o escoamento superficial se torna mais veloz a medida que se aproxima dos pontos de coleta ou em superfícies impermeabilizadas. Frequentemente o tempo de entrada, embora de determinação difícil, tem valor entre 10 e 30 minutos. Na literatura especializada também são encontrados figuras e ábacos para determinação desse tempo. 4.3.5 Intensidade média das precipitações No dimensionamento de sistemas de drenagem define-se intensidade de chuva como a quantidade de água caída na unidade de tempo, para uma precipitação com determinado período de retorno e com duração igual ao tempo de concentração. No caso do dimensionamento de galerias a intensidade de chuva é determinada a partir da equação de chuva adotada, onde a duração corresponde ao tempo de concentração e a intensidade a obter-se será a média máxima. 4.3.6 Coeficiente de Deflúvio Superficial Direto Este coeficiente exprime a relação entre o volume de escoamento livre superficial e o total precipitado. É por definição a grandeza, no método racional, que requer maior acuidade na sua determinação, tendo em vista o grande número de variáveis que influem no volume escoado, tais como infiltração, armazenamento, evaporação, detenção, etc, tornando necessariamente, uma adoção empírica do valor adequado. A Tabela a seguir relaciona diversos tipos de superfícies de escoamento com valores de coeficiente "C" respectivos, para períodos de retorno de até 10 anos. Na prática ocorre frequentemente ser a área contribuinte composta de várias "naturezas" de superfície, resultando assim um coeficiente ponderado em função do percentual correspondente a cada tipo de revestimento.

Quando o cálculo se referir a chuvas com maior período de recorrência, o coeficiente estimado deverá ser multiplicado por um fator chamado coeficiente de frequência, Cf ³ 1,0, mas de modo que o produto C. Cf seja menor ou igual a unidade, isto é, C.Cf ³ 1,0. O coeficiente Cf tem os seguintes valores: Período de retenção (anos) Coeficiente de Frequência - CF 2 a 10 1, 25 1, 50 1, 100 1,

5. SARJETAS 5.1 Definições São canais, em geral de seção transversal triangular, situados nas laterais das ruas, entre o leito viário e os passeios para pedestres, destinados a coletar as águas de escoamento superficial e transportá-las até às bocas coletoras. Limitadas verticalmente pela guia do passeio, têm seu leito em concreto ou no mesmo material de revestimento da pista de rolamento. Em vias públicas sem pavimentação é frequente a utilização de paralelepípedos na confecção do leito das sarjetas, sendo neste caso, conhecidas como linhas d'água. 5.2 Capacidade Teórica Para o cálculo de sarjetas, projetistas brasileiros comumente utilizam a teoria de Manning, onde: v = R2/3. I1/2. n-1. A partir desta consideração, o formulário que segue indica as equações para o cálculo da capacidade teórica de cada sarjeta, em função de sua seção típica. Definindo como yo- altura máxima de água na guia, wo - largura máxima do espelho d'água, z - (= yo /wo) inverso da declividade transversal, I - inclinação longitudinal da sarjeta (do greide da rua), n - coeficiente de rugosidade de Manning, Q - (= v/A) equação da continuidade,

Sarjeta parcialmente cheia Situação frequente em ruas onde sobre a pista de rolamento, em geral paralelepípedos, é lançado um outro tipo de revestimento, normalmente asfáltico. Neste caso calcula-se o valor para sarjeta original e subtrai-se a parcela correspondente à ocupação da seção pelo novo pavimento, resultando: Q1 = Qo - Q', ou Q1 = 0,375.I 1/2.(z/n).(yo8/3 - y' 8/3) Se o extremo do novo pavimento interceptar o espelho da sarjeta original. Porção de Sarjeta Calcula-se como se fossem duas sarjetas independentes e da soma desse cálculo subtrai- se a vazão correspondente a que escoaria pela parte da seção que lhes é comum, ou seja, Q = Qa+ Qb - Qaᵔb Sarjetas com seção composta 5.3 Descarga Admissível No dimensionamento das sarjetas deve-se considerar uma certa margem de segurança na sua capacidade, tendo em vista problemas funcionais que tanto podem reduzir seu poder de escoamento como provocar danos materiais com velocidades excessivas.

Nas declividades inferiores é frequente o fenômeno do assoreamento e obstruções parciais através de sedimentação de areia e recolhimento de pequenas pedras reduzindo, assim, a capacidade de escoamento. Nas declividades maiores a limitação da velocidade de escoamento torna-se um fator necessário para a devida proteção aos pedestres e ao próprio pavimento. Essa margem de segurança é conseguida pelo emprego do "fator de redução F", o qual pode ser obtido pela leitura da Figura abaixo. Neste caso, quando se calcula a capacidade máxima de projeto a expressão deduzida em assuma o seguinte aspecto: Qadm = F.Qo = F. [0,375.I 1/2. (z/n). yo8/3]. Fator de redução F 5.4 Informações gerais para projetos Além da recomendação de que as entradas de veículos devam ficar para dentro da guia, uma série de recomendações práticas devem ser observadas na definição dos perfis longitudinais e transversais das pistas de rolamento, para escoamento superficial e a sua condução e captação sejam facilitadas.

6. Bocas coletoras 6.1 Definição É uma estrutura hidráulica destinada a interceptar as águas pluviais que escoam pelas sarjetas para, em seguida, encaminhá-las às canalizações subterrâneas. São também frequentemente denominadas de bocas-de-lobo.