A modelagem hidráulica com a utilização de softwares é uma ferramenta que pode ser utilizada para se saber como um sistema existente de coleta de esgotos sanitários está operando ou como um novo sistema projetado ou remanejado irá operar em termos hidráulicos.
Soluções para modelagem hidráulica, tal como o OpenFlows SewerGEMS/SewerCAD da Bentley, permite dimensionar coletores de redes finas, interceptores, sifões invertidos, emissários; simular o recebimento de novas cargas hidráulicas (esgoto sanitário águas pluviais e infiltrações) ao longo da rede; identificar sistemas em que haja sobrecargas ocasionando lançamentos que precisam ser remanejados ou direcionar a derivação para outro conduto avaliando-se se este coletor teria capacidade para tanto.
Este modelo pode também estudar redes pressurizadas (linhas de recalque), definir regras de operação, bem como selecionar melhor conjunto de bombas em elevatórias propiciando uma avaliação energética, assim como desenvolver estudo da qualidade da água como a formação de gás sulfídrico na rede e sua dispersão no sistema.
A versão mais atualidada do OpenFlows Sewer, conhecida como 2024 ou 24.00.01.05 é suportada para rodar no Windows 10, Windows 11 e no Windows Server 2019 e 2022.
Este modelo pode ter diferentes tipos de cálculo de acordo com a variação do tempo, como a modelagem em estado estático (steady state) (quando o tempo não varia) utilizado em projetos normalmente indicados para condições extremas como se fosse uma foto do sistema em determinado tempo.
No OpenFlows SewerCAD é disponível apenas um método numérico de cálculo, (Convex, tanto para estado estático como para período estendido) enquanto no SewerGems são disponíveis 4 opções (Implícito, Explícito, GVF Convex e GVF Rational), podendo o usuário selecionar o mais adequado à situação.
Para sistemas onde há ciclos de bombeamento, o mais indicado é o Convex que separa o sistema em sub redes tanto por gravidade, usando o Routing GVF Convex, como pressurizada, usando as equações do gradiente hidráulico tanto em estado estável como em período estendido.
Com o modelo hidráulico montado, através dos dados de entrada (inputs) dados da rede como as propriedades físicas, topologia, carregamentos, é possível determinar a hidráulica da rede como fluxo, perda de carga, velocidade, lâmina de água, níveis dentro nos poços de visita, cálculos energéticos etc (outputs).
Nestes cálculos são utilizadas equações para GVF – Fluxo Gradualmente Variado, (método Convexo) com opção para modelagem com período estendido em que o tempo apesar de variar utilizam-se estas mesmas equações para cálculo hidráulico, configurando-se o estado não estático (fluxo variando), e para o cálculo do Routing, ou seja, a dinâmica do sistema usando o método Convexo (tempo de trajeto do fluido versus hidrograma). O solver Convex para GVF é indicado para sistemas em que haja bombas com ciclo de funcionamento como liga-desliga.
No OpenFlows SewerGEMS além do solver GVF – Convex (SewerCAD), apresenta 4 motores numéridos adicionais, que permitem o cálculo dinâmico por equação de onda dinâmica (equação de Saint-Venant) denominados, Implícito (desenvolvido pelo SewerGEMS), Explícito (desenvolvido pela EPA), simulação dinâmica 2D e método raciona (modo estático somente).
Para mais informação leia este blog da Bentley Systems:
O solver Implícito baseado no modelo da US National Weather Service (FLDWAY) usa a equação de Saint-Venant para porções de rede com lâmina livre ou fluxo pressurizado. Calcula também fluxos dinâmicos exceto simulação estática.
O solver Explícito, baseado no modelo do SWMM, usa a mesma equação para porções de rede com lâmina livre ou fluxo pressurizado. Pode ser aplicado para redes sem muito impacto de vazões bombeadas.
As equações utilizadas nos cálculos hidráulicos são a equação de Manning, fórmula de Kuttler/Chezi, equação de Darcy-Weisbach, Hazen Williams e equação de Saint-Venant. Também é feito a checagem do dimensionamento por tensão trativa em condutos livres. (apenas para o GVF Convexo).
A navegação no OpenFlows SewerGEMS/SewerCAD disponibiliza menus de modelagem onde se tem as ferramentas de modelagem.
No menu, são disponíveis: a janela de construção de cenários (gerenciador de cenários), onde ficam organizados todas as suas simulações; o gerenciador de alternativas, onde são organizadas as informações de simulações em grupos, como por exemplo: alternativa física (informa as propriedades físicas da rede como diâmetro, material, elevação, etc.) e alternativa de carregamento sanitário, na qual são informadas as cargas hidráulicas.
Já as opções de cálculo irão dizer como o cenário será calculado, (cálculo estático ou dinâmico).
Antes, porém, de se iniciar o traçado da rede deve-se efetuar os ajustes das unidades de trabalho e de níveis de precisão dos cálculos.
O traçado de rede é feito com a inserção dos elementos componente da estrutura do modelo hidráulico, de forma avulsa ou em cadeias (elementos modais (nós) seguidos de lineares), soltos ou não, como conduto, canal, tubo pressurizado, ramal, poço de visita, secção transversal, bomba, poço molhado, saída de rede (lançamento) e outros.
Na janela de propriedades dos elementos pode-se digitar os dados de entrada como (informações dos atributos) como cotas (terreno, coletor, fundo do poço de visita), carga (vazão), diâmetro, material, coeficiente de rugosidade, extensão.
Com estes dados pode-se visualizar o perfil hidráulico longitudinal da rede com as linhas piezométrica e de energia com as informações através da rodagem, com base no cálculo estático, usando o GVF Convex, característico do OpenFlows SewerGEMS, que é o método de ondas dinâmicas para o cálculo do routing da rede em estado estável (sem variação do tempo).
Na janela de propriedades pode-se ver o resultado ao longo do tubo. Tem se as velocidades e as alturas da lâmina de água em 3 pontos, além da altura da lâmina de água normal, isto é a lâmina calculada para o fluxo uniforme em que não há variação de altura. Por outro lado, é possível habilitar o cálculo sem variar a lâmina (a fim de que ela fique constante), nas opções de cálculo podendo-se alterar o método para análise da capacidade. Neste caso, reabrindo-se o perfil, vê-se que a lâmina está constante e a velocidade correspondente ao fluxo, uniforme.
No GVF Convex, a equação utilizada para conduto aberto é a de Maning e, para condutos forçados, a equação de Hazen Williams, embora haja opções para se utilizar de outras equações alternativas.
Concluído os cálculos hidráulicos resta fazer a integração do OpenFlows Sewer com o modelo BIM do OpenSite Designer ou do Open Roads Designer.
Estas plataformas permitem modelar a rede de esgotos sanitários integrada ao ambiente CAD e também ao ambiente BIM. É possível fazer ativação das ferramentas das licenças OpenFlows SewerGEMS/CAD dentro da plataforma OpenRoad Designer/ OpenSite Designer propiciando uma modelagem hidráulica da rede de esgotos integrada com topografia modelagem da realidade, geotecnia, projetos geométricos e de movimentação de terra, bem como de outras redes subterrâneas (gás, drenagem pluvial, rede de água e outras) para que se faça estudo de detecção de interferência do projeto da rede de esgotos com outras infraestruturas já existentes.
Uma vez tendo esta integração é disponibilizada a ferramenta mement boundary para ajudar na extração de desenhos com planta perfis e cortes.
Fonte: Bentley – Douglas Miranda e Julio Issao Kuwagima
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José Eduardo Cavalcanti é engenheiro consultor, diretor do Departamento de Engenharia da Ambiental do Brasil, diretor da Divisão de Saneamento do Deinfra – Departamento de Infraestrutura da Federação das Indústrias do Estado de São Paulo (Fiesp), conselheiro do Instituto de Engenharia, e membro da Comissão Editorial da Revista Engenharia. E-mail: [email protected]
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