Análise da queda de raios sobre o Cristo Redentor
A estátua do Cristo Redentor localizada no topo do morro do Corcovado na cidade do Rio de Janeiro (RJ) atrai cerca de dois milhões de turistas a cada ano e é considerada uma das Sete Maravilhas do Mundo Moderno. E devido ao seu tamanho e ao fato de estar no topo de uma montanha de 710 metros, o Cristo Redentor é frequentemente atingido por raios.
A ESSS utilizou as soluções ANSYS para recriar em um ambiente virtual um raio atingindo a estátua e mostrar os impactos sobre a estrutura do Cristo Redentor.
Software ANSYS é utilizado para analisar a possibilidade de um raio atingir diferentes partes do Cristo Redentor, determinando a densidade da carga acumulada. As áreas destacadas em vermelho indicam as áreas de maior risco de queda de relâmpago
Simulação de relâmpagos
Os relâmpagos acontecem quando a carga elétrica entre dois objetos é grande o suficiente para ionizar o ar, isso faz com que uma avalanche de corrente flua a partir do potencial mais elevado para o mais baixo. A prevenção e a mitigação desses fenômenos ganham interesse especial na engenharia quando se trata de sistemas de proteção de raios.
Os para-raios tem a função de atrair os relâmpagos e controlar a interação com a estrutura que protege. Para isso, possuem características como pontas finas para concentrar uma alta densidade de carga acumulada, o que os torna alvos prováveis de relâmpagos. Para efetuar uma proteção correta, os para-raios são conectados a um fio de cobre que deslocam a carga até o chão, desviando-a para longe da estrutura.
Para determinar os efeitos dos raios sobre o Cristo Redentor, utilizamos as soluções ANSYS Q3D Extractor e ANSYS Maxwell para realizar análises eletroestáticas e o ANSYS HFSS para as análises transientes eletromagnéticas. Esses produtos oferecem uma característica interessante que é a possibilidade de gerar malha adaptativa automática que produz resultados de alta precisão. Assim o usuário não necessita de conhecimento de técnicas numéricas e precisa apenas especificar a geometria, as propriedades do material e os resultados desejados.
Essa capacidade de gerar malha com melhor aproveitamento do tempo, elimina a necessidade de construir e refinar a malha manualmente utilizando elementos finitos. Além disso, uma nova capacidade do ANSYS HFSS é o solver eletromagnético transiente implícito utilizando elementos finitos (exclusivo entre os códigos de simulação computacional comerciais), que resolve com precisão problemas elétricos como relâmpagos e descargas eletrostáticas.
Análise Eletrostática
A simulação que desenvolvemos mostra as áreas onde os raios geralmente caem e onde seriam os posicionamentos ideais desses para-raios para que sua atuação seja mais eficaz. Com isso, foi possível perceber que o Cristo Redentor tem um grande potencial de atração quando exposto as nuvens carregadas com alto potencial elétrico, onde grandes cargas elétricas se acumulam.
A densidade de carga acumulada sobre a estrutura foi analisada para determinar onde há concentração de cargas elevadas, que são mais suscetíveis a oferecer um ponto de contato para a ionização levando a queda do raio. As análises eletrostáticas utilizando o ANSYS Q3D Extractor e o ANSYS Maxwell tornam isso possível para determinar o melhor posicionamento e a quantidade de para-raios para eficiência máxima.
Veja o vídeo da simulação do raio atingindo o Cristo Redentor em: http://esss.com.br/www_cae/Ansoft_Install/r16/christ_lightning.html
Análise de Campo Eletromagnético Transiente
Os raios são modelados como uma fonte de corrente com uma forma de impulso representado através de uma equação de exponencial duplo no tempo. Esta forma de onda está prescrita em diversas normas militares e aeroespaciais. O caminho atual para a queda do raio foi simulado como contato direto com a estátua em vez da formação do arco de plasma. Isso permitiu aos engenheiros estudarem os efeitos de distribuição de corrente em toda a estrutura do cristo.
As distribuições de temperatura e posterior deformação ao longo da estátua foram analisadas utilizando o ANSYS HFSS acoplado ao ANSYS Mechanical, por meio do ANSYS Workbench, para identificar os pontos de concentração a partir dos efeitos de aquecimento. Utilizando uma análise térmica-estrutural é possível determinar os danos e deformação causados aos para-raios.
Além disso, nós também utilizamos o ANSYS HFSS para calcular a densidade de perdas de superfície sobre as partes metálicas e a densidade de perdas volumétricas nas partes dielétricas. Essas perdas foram utilizadas como dados de entrada para a análise de fadiga térmica e mecânica para avaliar a integridade global da estrutura da estátua.
A engenharia de simulação é uma ferramenta valiosa na concepção de novas estruturas, manutenção, reparo e prevenção da deterioração dos edifícios históricos e obras de arte. Afinal, o tempo e os elementos têm preços e o conhecimento adquirido a partir da simulação pode ajudar a conservar essas maravilhas a um custo interessante para que possam ser apreciadas por muitas gerações.
Simulação da deformação estrutural de um para-raios
Danos Causados por Relâmpagos
Os relâmpagos têm causado significativos danos ao revestimento de pedra-sabão do Cristo Redentor ao longo dos anos. Os para-raios auxiliam a prevenir que a maioria dos raios caiam diretamente sobre a superfície da estátua, mas apesar dessas medidas de segurança, ela é atingida em média cinco vezes por ano por raios.
Em 2010, a combinação entre relâmpagos e os danos causados pela chuva geraram danos de responsáveis pelo investimento de cerca de U$ 4 milhões em um projeto de restauração da estátua. No início de 2014, o Cristo Redentor foi danificado no rosto e nas mãos por um relâmpago. O dano resultante foi significativo e foram gastos meses para repará-lo e refazer a instalação dos para-raios.
Raio atinge mão do Cristo Redentor em 2014 (Fonte: Folha de São Paulo)
História do Cristo Redentor
O Cristo Redentor começou a ser construído em 1922 e foi concluído nove anos depois, em 1931, com 635 toneladas, 30 metros de altura e seus braços se esticam por 28 metros de largura. A estrutura interna do Cristo Redentor foi feita reforçada com concreto e é revestida com uma camada de ladrilhos triangulares de pedra-sabão.
O engenheiro Brasileiro Heitor da Silva Costa e o engenheiro Frances especialista em concreto armado Albert Caquot se inspiraram no design das obras do escultor Francês Paul Landowski para planejar a construção da estátua. Essas características deram ao Cristo Redentor a mais perfeita harmonia entre a engenharia e a arte.
