Numerical modeling for the design of urban drainage systems

Considerando as frequentes inundações dos centros urbanos, as limitações financeiras e a gestão ineficiente dos sistemas de Drenagem Urbana (DU) dos municípios brasileiros, torna-se necessário que projetos sejam desenvolvidos com eficiência e economia. Estes objetivos são alcançados com a correta definição do diâmetro nominal e da declividade das galerias, o que resulta em relações hidráulicas adequadas. Deve-se ainda garantir o escoamento sem a presença de remanso, verificando a linha de energia ao longo da rede. Existem softwares capazes de auxiliar no dimensionamento da rede, os quais, porém, não reportam soluções otimizadas. Nesse contexto, apresenta-se uma modelagem numérica vetorial para o dimensionamento automático e otimizado de um sistema de galerias de DU. Aplicou-se esta modelagem num projeto e seus resultados foram comparados com os obtidos por dois softwares existentes no mercado brasileiro. Demonstra-se que a otimização desenvolvida contribui para aumentos de eficiência e economia nos projetos. As principais contribuições são: caracterizar e modelar as declividades típicas de projeto para obter a declividade ótima combinada com o menor diâmetro; explorar o potencial das lâminas d’água acima das normalmente empregadas, com reflexos positivos na definição de {D, ig} e na economia na implantação do sistema; e implementar uma solução recursiva, a partir de um ciclo de informações interdependentes, garantindo precisão dos resultados. Por outro lado, as sarjetas empregadas no meio urbano normalmente assumem seções de configuração triangular e sua capacidade de escoamento depende da largura do tirante molhado, da declividade transversal, da rugosidade e da declividade longitudinal da via. Essas sarjetas apresentam baixa capacidade de escoamento e a abordagem existente pouco coopera para a proposição de perfis mais eficientes. A principal contribuição deste capítulo consiste na apresentação de um modelo numérico de base vetorial para o dimensionamento da capacidade de escoamento de um sistema de sarjetas a partir de uma seção transversal parametrizada. O modelo proposto permite, por meio da combinação de suas variáveis, compor uma variedade de configurações, subsidiando a concepção de novos protótipos, com o propósito de avaliar seu desempenho, cujo cálculo da capacidade de escoamento é realizado por intermédio das expressões de Manning ou Izzard.Considering the frequent flooding of urban centers, the financial limitations and the inefficient management of Urban Drainage (UD) systems in Brazilian municipalities, it is necessary that projects be developed efficiently. These objectives are achieved with the correct definition of the diameter and galleries slope, resulting in adequate hydraulic ratios. It is also necessary to guarantee the flow without backwater, by verifying the energy grade line along the network. There are software capable of assisting the calculation, which, however, do not report optimized solutions. A vector-based numerical modeling is presented for the optimized sizing of a UD gallery system. This model was applied in an area and its results were compared with those obtained by two software in the Brazilian market. It is demonstrated the optimization developed contributes to increases the efficiency in the design. The main scientific contributions are: to characterize and model the typical design slopes, to obtain the optimum slope combined with the smaller diameter; to explore the potential of the hydraulic ratios above those normally employed, with positive effects on the definition of {D, ig} and the economy in the system; and to implement a recursive solution from a cycle of interdependent information, ensuring accuracy of results. The gutters used in the urban areas normally use triangular cross-sections and their capacity of flow depends on the wet tie rod width, its transversal slope, the roughness and the road longitudinal slope. These gutters shapes have low flow capacity and the existing approach does not cooperate to propose more efficient shapes. The scientific contribution of this paper is the presentation of a numerical vector base model for the sizing of the flow capacity of a gutter system from a parameterized cross section. The proposed model allows, through the combination of its variables, to compose a variety of configurations, subsidizing the design of new prototypes, with the purpose of evaluating its performance, whose calculation of the flow capacity is done through the expressions of Manning or Izzard