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Não é raro ocorrer transbordamento de calhas em forros e lajes de teto quando ocorrem chuvas intensas. Conforme a intensidade e a duração da chuva, a água extravasada para dentro do ambiente pode representar sérios prejuízos e aborrecimentos para os seus usuários. Mas nem sempre o problema está na capacidade das calhas em si, mas nos condutores que estão com pouca capacidade.
Na figura abaixo vemos alguns exemplos de calhas de platibanda com seção retangular e semi-circular. Elas são dimensionadas para determinada quantidade de chuva por m², para isto determina-se qual é a área de contribuição do telhado, sabendo-se assim quantos litros por minuto serão escoados em cada parte da calha. Com o tempo e as variações climáticas, pode acontecer que dada calha passa a receber quantidade de água maior do que aquela de início prevista.
A figura abaixo ilustra uma situação onde uma calha teve suas dimensões originalmente calculadas para captar e conduzir apenas a água que incide no pano de telhado em cujo beiral está fixada. Porém, a construção posterior de edificações vizinhas de maior altura, com expressivas superfícies verticais (A1 e A2), anexas ao pano do telhado inicial, acabaram aumentando a área de interceptação de chuvas que contribuem para a calha.
Neste caso, sempre que incide uma chuva intensa, acompanhada de vento na direção da concavidade formada por essas três superfícies contíguas, as superfícies verticais interceptarão águas de chuva que também serão direcionadas para a calha. Como ela foi originalmente dimensionada para apenas dar conta da chuva que incide sobre o pano de telhado, certamente transbordará sempre que ocorra uma chuva mais intensa, permitindo que um bom volume de água penetre por sobre o forro ou laje de teto.
Para corrigir o problema logo se pensa em algo radical: troca da calhas existentes por outras com maior seção, o que nem sempre é viável ou fácil de ser feito no local, por vezes requerendo modificações no madeiramento sob as telhas, com elevado custo e dificuldade de execução. Em situações como esta, antes de cogitar trocar a calha, um profissional especializado poderá propor medidas práticas para aumentar a capacidade de vazão do sistema predial de coleta de águas pluviais, com base em cálculos de engenharia e soluções provenientes do conhecimento técnico do funcionamento do sistema.
Entre essas medidas, estão:
• O simples aumento da declividade das calhas (sua inclinação), e
• O aumento da capacidade de escoamento dos condutores verticais.
Vejamos:
1 -- Aumento da declividade das calhas
Esta primeira medida deve ser tomada sempre que possível, porém sabendo de antemão que tem suas limitações. Quando uma chuva intensa passa a incidir sobre uma dada superfície na cobertura de uma edificação, a máxima vazão de contribuição na respectiva calha só ocorre depois de um certo intervalo de tempo, chamado tempo de concentração, decorrido o qual toda a superfície do pano do telhado passa a contribuir para a respectiva calha.
Acompanhe pela figura ao lado. A contribuição máxima de uma chuva na calha só se dá depois de decorrido o tempo de concentração das águas. Depois que essa condição se estabelece, pode-se considerar que a vazão é proporcional à raiz quadrada da declividade da calha. Dessa forma, ao se duplicar o valor da declividade da calha, a vazão máxima por ela conduzida teoricamente aumentará apenas 41%.
Porém, na prática, esse valor é bem menor, pois fica condicionado a outros fatores limitantes tais como a condição hidráulica da inserção da água no condutor vertical (interação calha-condutor) e distância da tomada de água do condutor ao início ou mudança de direção da calha. A figura abaixo mostra como a lâmina d'água demora a levar a capacidade da calha ao seu limite, só ocorrendo após certo período de tempo:
Outro fator que diminui a eficiência da calha é a mudança de direção na calha. a redução na capacidade de escoamento chega a ser 17%, dependendo da suavidade da curva e de sua distância em planta à entrada para o condutor vertical, conforme mostra a tabela abaixo:
| Redução da capacidade de escoamento da calha |
| Tipo de curva | Distância da curva à saída |
| d < 2 m | 2m ≤ d ≤ 4m |
| Canto vivo | 17% | 9% |
| Canto arredondado | 9% | 5% |
2 -- Aumento da capacidade de escoamento do condutor vertical
Como nem sempre o aumento da inclinação da calha é fisicamente viável sem grandes intervenções nos elementos construtivos em que se apóia, resta o aumento da capacidade de escoamento do condutor vertical, que poderá promover uma redução na máxima altura da lâmina d’água dentro da calha.
Esta possibilidade está ligada ao fato da altura máxima da lâmina d’água dentro da calha depender da maior ou menor facilidade de inserção no condutor vertical, determinante de sua capacidade de escoamento, que pode ser aumentada mediante as seguintes ações, entre outras:
• Adoção de funil e/ou de ralo hemisférico na embocadura do condutor vertical ao fundo da calha;
• Adoção de bandeja pluvial;
• Supressão ou distanciamento de eventual desvio de verticalidade no condutor vertical em relação ao fundo da calha.
2.1 -- Adoção de funil de saída na tomada d’água do condutor vertical
Quando um condutor vertical transporta água pluvial proveniente de calha de beiral ou de platibanda, a tomada d’água (ou embocadura) geralmente é feita em canto vivo, ou seja, com a formação de uma aresta circular ou retangular no fundo da calha, tendo o condutor vertical uma seção uniforme ao longo do seu desenvolvimento, ou seja, seção constante, conforme mostra a figura ao lado.
Essa aresta cria certa dificuldade para a entrada da água da calha para o interior do condutor vertical, pois o escoamento horizontal na calha, dito em regime de canal, transita para outra forma de escoamento dentro do condutor vertical, conhecido como regime anelar, aderente às paredes internas da tubulação.
Dentro do condutor vertical, o fluxo de água arrasta consigo ar atmosférico por atrito, cuja entrada é estrangulada na embocadura ao fundo da calha, particularmente quando existe aresta viva. Quanto maior for a vazão de água pluvial, maior será a espessura do anel líquido descendo dentro do condutor vertical, e maior a quantidade de ar arrastado para o seu núcleo.
O ar ocupa espaço dentro do condutor vertical que poderia estar sendo utilizado para o escoamento de água pluvial. Portanto, sua presença acaba reduzindo a capacidade de escoamento do condutor vertical e, por conseguinte, de esgotamento da calha.
A entrada de ar atmosférico dentro do condutor vertical por arraste ou aspiração depende da geometria da sua tomada d’água. A existência de aresta ou canto vivo na embocadura do condutor vertical serve de vertedor radial para a água proveniente da calha.
A figura acima mostra o strangulamento da entrada de ar com o aumento da vazão de água pluvial e formação de vórtice hidráulico. Havendo elevação da vazão de água na embocadura há também aumento na velocidade do escoamento horizontal na calha e conseqüente estrangulamento parcial na entrada do ar atmosférico que é arrastado por atrito pelo fluxo líquido dentro do condutor vertical.
Quando a vazão de água na calha aumenta de forma expressiva, pode dar origem ao fenômeno da formação do vórtice hidráulico, também chamado turbilhão, remoinho ou redemoinho. Sempre que isto ocorre, há uma aspiração ainda maior de ar para dentro do condutor vertical, limitando a sua capacidade de escoamento líquido. Isto acontece porque o estrangulamento da entrada de ar proporcionado pela aresta viva faz com que este adquira pressão inferior à atmosférica dentro do condutor vertical.
Uma forma de evitar que o ar ocupe espaço significativo dentro do condutor vertical, permitindo que este escoe uma maior vazão de água pluvial, está na adoção de uma redução gradual da seção da embocadura do condutor vertical. Isto é proporcionado pela interposição de um funil de saída, reduzindo muito o efeito desfavorável da aresta viva no fundo da calha, conforme a figura abaixo:
Esta disposição geométrica reduz o efeito do canto vivo atuando como vertedor radial, pois, ao nível do fundo da calha o seu diâmetro aumenta significativamente, evitando aí o estrangulamento na entrada do ar. Com isto, o transfere de forma mais atenuada para o fundo do funil, em cota já inferior à do fundo da calha, desvinculando parcialmente o escoamento horizontal do vertical.
Como a tomada d’água do condutor vertical no fundo da calha é um local onde ocorre acentuada perda de carga (perda da energia presente em cada unidade de massa da água), com transição do regime de escoamento, a formação de uma certa altura de lâmina d’água no interior da calha, constituindo certa carga hidráulica, é necessária para vencer essa perda de carga.
A presença do funil de saída concorre para a redução da altura de lâmina d’água requerida no interior da calha, com conseqüente aumento na capacidade de escoamento do conjunto calha-condutor vertical, pois reduz a perda de carga da água na entrada do condutor vertical.
Tem sido costumeira a adoção de funil com extensão e embocadura com o dobro do diâmetro do condutor vertical, mas essas dimensões devem ser, ao menos, superiores a 4/3 desse diâmetro. A tomada d’água em funil de saída também contribui para dificultar a formação de vórtice hidráulico na entrada do condutor vertical, mas, para isso, sua posição relativa no fundo da calha é de fundamental importância. A distância da aresta do funil, na linha de encontro com a calha, até sua borda lateral, ou de fundo, quando o condutor vertical estiver alojado numa de suas extremidades, não deve ser maior do que certas proporções, para que não haja formação de vórtice hidráulico.
Já em calhas de beiral ou de platibanda com tomada d’água do condutor vertical em aresta viva, desprovida de funil, a distância da aresta até a borda da calha, ou sua extremidade, não deve ultrapassar o valor da dimensão correspondente do condutor para se evitar o vórtice.
Dessa forma, para que não ocorra o vórtice hidráulico, a tomada d’água do condutor vertical no fundo da calha deve situar-se o mais próximo possível de uma de suas bordas. Quando essa condição não for viável, então a tomada d’água deverá ser provida de ralo hemisférico, que garante admissão radial de água ao topo do condutor vertical.
Na figura ao lado, vemos uma interessante alternativa ao funil cônico ou tronco-piramidal convencional, com resultados assemelhados, é a adoção de tomada d’água ao fundo da calha com um trecho vertical de tamanho bem superior ao requerido para o restante do condutor vertical. Na vida prática esse trecho vertical inicial é conhecido por tubo prolongador.
Para se determinar, caso a caso, o quanto a introdução de um funil de saída na embocadura de um condutor vertical acresce em termos de vazão a capacidade de escoamento do conjunto calha-condutor, pode-se empregar os gráficos experimentais presentes na NBR 10844:1989 (“Instalações prediais de águas pluviais”), válidos para condutores verticais com tubulação rugosa dotada de duas curvas ao longo de sua prumada.
2.2 -- Adoção de grelha e/ou ralo hemisférico
Ralos hemisféricos são elementos de captação tubulares cilíndricos dotados de grelha hemisférica na parte superior, geralmente metálica ou plástica, posicionada ao fundo da calha, na embocadura do condutor vertical, dotado ou não de funil de saída.
A figura acima mostra a instalação de grelha hemisférica na tomada d’água de condutor vertical ao fundo da calha. Os ralos hemisféricos costumam ser adotados em locais onde os ralos planos podem sofrer obstruções, por exemplo, pelo acúmulo de folhas de vegetação ou detritos, dado o formato característico da grelha, que permite a retenção desse material em sua porção inferior, e a passagem da água por cima, ao formar certa altura de lâmina líquida. Dessa forma, uma aplicação muito útil para o ralo hemisférico é sua adoção em calhas sujeitas à deposição de folhas de vegetação.
Entretanto, a maior vantagem e principal razão para sua aplicação em situações específicas de projeto, estão no fato da grelha hemisférica, situada na embocadura de um condutor vertical ao fundo da calha, admitir água em seu interior de modo predominantemente radial, decorrente da forma peculiar das aberturas ou ranhuras de sua grelha.
A figura acima mostra a admissão radial de água em ralo hemisférico e em grelha hemisférica. Esta admissão predominantemente radial da água evita a formação do vórtice hidráulico (turbilhão ou redemoinho) quando a lâmina d’água sobre o ralo atinge determinada altura que permite arraste de ar, que, conforme visto, acaba ocupando lugar da massa líquida no interior das tubulações e reduzindo sua capacidade de transporte.
A figura ao lado mostra como o vórtice hidráulico favorece a admissão de ar dentro do condutor vertical. Em conseqüência, um dos recursos para se aumentar a capacidade de escoamento de um condutor vertical, fazendo-o escoar mais água e menos ar, está justamente na sobreposição de uma grelha hemisférica em sua embocadura junto ao fundo da calha, de modo a evitar o vórtice e, com isso, o excessivo arraste de ar para dentro do condutor vertical.
Neste caso, como a presença da grelha hemisférica impõe certa resistência ao escoamento, ou seja, uma perda de carga localizada, impondo a elevação da altura da lâmina líquida dentro da calha. Isto poderá compensado adotando-se grelha hemisférica com diâmetro superior ao do condutor vertical, ou seja, com área de frestas (ranhuras) superior à área da seção do condutor.
2.3 -- Adoção de bandeja pluvial na embocadura do condutor vertical
Bandejas pluviais são elementos de acumulação temporária de água, destinados a receberem águas pluviais de calhas por deságüe livre (queda livre), e mediante elevação da carga líquida em seu interior, conduzi-las adequadamente a um condutor vertical.
A figura acima mostra uma bandeja pluvial dotada de grelha hemisférica e condutor vertical com tubo prolongador. A bandeja, portanto, sempre se situa na extremidade superior de um condutor vertical e propicia a elevação da lâmina líquida em seu interior para vencer a perda de carga que ocorre na embocadura do condutor vertical, substituindo com vantagens o funil de saída.
Neste caso a água pluvial escoando na calha é despejada livremente por uma extremidade lateral, e deságua livremente sobre uma bandeja pluviais, reduzindo o risco de transbordamento e aumentando sua eficiência, sem qualquer interferência da embocadura do condutor vertical, com canto vivo ou com funil de saída.
Portanto, a principal conseqüência favorável na adoção da bandeja pluvial é a desvinculação entre a altura da lâmina d’água presente no interior da calha e o diâmetro necessário para o condutor vertical. Dessa forma, a introdução de uma bandeja pluvial no topo de um condutor vertical propicia a elevação da capacidade de vazão da calha associada. Para um bom funcionamento, as bandejas pluviais devem apresentar:
• Largura igual ou superior à da calha mais larga que nela descarregue
• Comprimento suficiente para receber todo o fluxo da calha, cuja extremidade deságüe na bandeja como um vertedouro livre
• Bordo livre mínimo equivalente a 2/3 da carga hidráulica (profundidade de lâmina) sobre a embocadura do condutor vertical.
O dimensionamento correto de uma bandeja pluvial depende de cálculos de engenharia a partir de formulação empírica obtida em experimentação de laboratório. A figura ao lado, entretanto, dá algumas dicas dos elementos geométricos para o dimensionamento da bandeja pluvial
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