COMO CONSTRUIR UM TELHADO

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Cálculo (dimensionamento) das Calhas e Condutores
para acessar diretamente, guarde este endereço: www.ebanataw.com.br/calhas

Fonte de referência oficial: Norma brasileira NBR-10.844 - Instalações Prediais de Águas Pluviais

O engenheiro Roberto Massaru Watanabe, que fez centenas de vistorias em telhados com problemas ao longo de sua vida profissional como perito, apresenta umas dicas para você evitar as causas de transbordamentos e infiltrações em calhas e condutores, visto que o mercado brasileiro é muito pobre em literatura técnica sobre o assunto e os livros e apostilas, mesmo que de faculdades famosas da Europa ou dos Estados Unidos, não se aplicam no caso brasileiro, tropical, pois as condições do clima são substancialmetne diferentes daqueles países e até a oficial norma brasileira, a NBR-10844, é baseada numa concepção de chuva bastante ultrapassada, mas que, ainda, serve de base para os cursos superiores e técnicos ministrados no Brasil. Veja detalhes sobre os climas no mundo em .

Procurei ser o mais didátivo possível com exemplos simples para que qualquer pessoa tenha condições de fazer o projeto e o cálculo de dimensionamento de calhas e condutores.


1o PASSO: Determinar a Chuva de Projeto: 

As chuvas são fenômenos cíclicos e ocorrem ao longo de diversos períodos. Por exemplo, o ciclo mais conhecido é o Ciclo Anual, aquele que ocorre todo ano com poucas chuvas no inverno e muitas chuvas no verão. Além do Cicl Anual, existem outros ciclos como o quinquenal, o decenal, o secular, o milenar, o decamilenar e muitos outros. Quanto maior o período de tempo, mais catastróficas são as chuvas. Exemplo, uma chuva anual pode trazer uma chuva de 122 milímetros por hora de intensidade enquanto que um período quinquenal pode trazer uma de 167 mm/h e uma de 25 anos a intensidade de 227 mm/h. A pluviologia chama esse período de tempo de Período de Retorno. Veja mais detalhes clicando aqui .

Você pode escolher qualquer um desses períodos de retorno e para isso deve considerar a importância do impacto que essa chuva vai provocar na sua instalação. Por exemplo, na casinha dos porcos (chiqueiro) é até  bom que a chuva invada os chiqueiros e lave tudo. Na África, o rio Nilo que atravessa diversos países, muitos deles em tórridos desertos, oferece cheias anuais que invavem o deserto e depositam material orgânico que permitem um agricultura vigorosa ao longo das margens.

Veja mais detalhes sobre o impacto da intensidade da chuva em .

Devemos também levar em consideração as condições locais. Bairros arborizados ou bairros sem árvores facilitam a ocorrência da Chuva de Verão. Veja mais detalhes em .

Uma vez determinado (escolhido) o Período de Retorno você deve calcular a quantidade de água que cai e para isso existem diversos Métodos de Cálculo. Veja alguns em .

 

Para o cálculo das Calhas devemos calcular, antes, a quantidade de chuva que vai cair no telhado.

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A quantidade de água que uma chuva joga sobre um telhado varia em função de diversos fatores como o clima (tropical, equatorial, etc.), a estação do ano (primavera, verão, etc.) e a localização geográfica (norte, nordeste, sul, etc.). As Cartas Pluviométricas indicam a quantidade de água que cai e que é indicada em "milímetros". São geralmente a quantidade total de água que cai durante o ano. Dizem 80 milímetros por ano, por exemplo.

Para o cálculo da quantidade de água, não se leva em consideração tais fatores mas apenas a maior intensidade (força) da chuva. Mesmo em regiões de poucas chuvas como no nordeste brasileiro, quando chove a chuva pode ter uma intensiade pluviométrica tão grande como uma chuva em São Paulo. Não é a quantidade total de água que cai mas sim a quantidade em um determinado tempo. Por isso, você deve ter muito cuidado ao consultar as Cartas Pluviométricas. O que importa para  dimensionamento das calhas e condutores é a intensidade pluviométrica, isto é, os litros por segundo ou os litros por minuto.

Outro alerta que faço é que algumas cartas foram elaboradas em época em que não se conhecia bem o fenômeno das chuvas e a norma brasileira NBR-10844 versão 1989 diz que mesmo dentro de uma cidade, a intensidade das chuvas é diferente de bairro para bairro. Veja, por exemplo, o que diz a Tabela 5 da norma em relação à cidade do Rio de Janeiro:

LOCAL CIDADE REGIÃO INTENSIDADE PLUVIOMÉTRICA (milímetros por hora)
PERÍODO DE RETORNO (anos)
1 5 25
60 Rio de Janeiro Bangu 122 156 174
61 Rio de Janeiro Ipanema 119 125 160
62 Rio de Janeiro Jacarepaguá 120 142 152
63 Rio de Janeiro Jardim Botânico 122 167 227
64 Rio de Janeiro Praça XV 120 174 204
65 Rio de Janeiro Praça Saenz Peña 125 139 167
66 Rio de Janeiro Santa Cruz 121 132 172

Quando um Arquiteto ou um Engenheiro faz o projeto de um telhado, deve tomar o cuidado de analisar bem o fenômeno da chuva. Embora a escola de arquitetura e de engenharia sejam obrigadas a lecionar estritamente dentro das normas, o aluno deve ficar atento quando for fazer o cálculo do volume de chuva que cai sobre um telhado.

Hoje, conhecemos melhor o ciclo de chuvas, que as mais fortes têm origem na Amazônia e que fenômenos como o El Niño afetam a distribuição das chuvas no território brasileiro fazendo com que em determinado ano chova mais no sudeste (Rio de Janeiro, Minas e São Paulo) e em outro ano chova mais em Santa Catarina e Rio Grande do Sul. Por isso, se você mora numa casa em Jacarepaguá cujo telhado foi dimensionado com a intensidade pluviométrica de 152 milímetros por hora pode, perfeitamente, ser surpreendido com uma chuva de 227 milímetros por hora que, quando vier, não vai chover apenas no Jardim Botânico mas sim na cidade toda.

Clique na figura seguinte para você conhecer o fenômeno Célula de Hadley e outros fenômenos como aquele que alguns falam que a chuva que cai no sudeste tem origem na floresta amazônica mas que na verdade a própria floresta amazônica existe por que lá também chove e chove o tempo todo e esse mar de água que cai por lá e também a que cai no sudeste tem origem, na verdade, no vasto Oceano Atlántico e também, acreditem se quiser, no Deserto do Saara. A pouca água que tem no deserto evapora por causa do calor escaldante e vai embora levada pela Célula de Hadley.

Situação difícil é a do Arquiteto ou Engenheiro que faz o projeto de uma obra pública como uma Escola ou um Hospital. Sendo uma obra pública, o Tribunal de Contas irá fiscalizar os exatos valores que foram adotados no projeto para o dimensionamento das partes de um telhado. Por exemplo, o telhado de um Hospital público no Jacarepaguá deve, obrigatoriamente, ser calculado para uma chuva máxima de 152 mm/h pois se for adotado um valor maior, o TC irá denunciar alegando haver super-faturamento. Então, na primeira chuva depois da inauguração, o hospital será manchete nos jornais, como é comum a gente ver no noticiário.

  

É por isso que quando chove, é muito comum entrar chuva ou desabar forro ou ter inundações em Escolas, Hospitais e outras obras públicas como estradas e até barragens. Embora tenha havido um erro na elaboração do projeto, o Arquiteto ou o Engenheiro não pode ser responsabilizado pelos danos decorrentes pois eles seguiram estreitamente as recomendações contidas em Normas Brasileiras Oficiais. As autoridades políticas irão, obviamente, alegar que "choveu mais que o esperado". A gente não devia mas aceita esta desculpa pois compreendemos que eles são leigos. O Profissional Competente não cai no "conto da norma" e sabedor dessa fragilidade que a norma apresenta faz o cálculo da chuva baseado em parâmetros reais e, para não correr o risco de ser acusado de superfaturamento, e conhecedor do fenômeno Célula de Hadley descreve no memorial descritivo as razões para a adoção de valores acima do que preconiza a norma.

Nesses mais de 40 anos de trabalho em vistorias e perícias, Watanabe chegou a um número que atende bem os casos de dimensionamento de calhas e condutores assegurando escoamento adequado das águas da chuva. Um bom número para quantidade de água que uma chuva forte despeja sobre o telhado é o seguinte:

0,067 litros por segundo por m2 = 4,02 litros por minuto por m2 = 244 milímetros por hora por m2

Adotando este valor, em qualquer local do território brasileiro, o arquiteto estará mais ou menos seguro quanto ao risco de transbordamento das calhas. Eu digo "mais ou menos" por que vai ocorrer uma combinação de vários fenômenos, e um deles é o El Niño, que pode fazer cair uma verdadeira cachoeira com até 350 mm/h.  O número 244 corresponde a uma chuva com período de recorrência de 100 anos e com intensidade aplicável na maior parte do território brasileiro. Entretanto deve-se tomar o cuidado em determinadas regiões que podem apresentar valores bem acima. Veja na norma NBR-10.844 uma tabela com as intensidades pluviométricas em diversas regiões do Brasil. Para um valor mais preciso consulte o serviço de meteorologia mais próximo e procure ter um mãos pelo menos 50 anos de medição e peça a um técnico especializado em Hidrologia uma simulação.

EXEMPLO PRÁTICO:

Vejamos como calcular a quantidade de água nas calhas de um exemplo como o da figura abaixo.

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Essa casa tem apenas uma água (para facilitar a compreensão). O telhado mede 8 X 11,70 metros.


2o PASSO: Determinar os Pontos de Descida: 

Primeiro você deve determinar os pontos de descida de água. Os pontos de descida devem ser livres de interferências como janelas, portas, antenas, etc. Vamos colocar 3 condutores de descida nas posições indicadas na figura acima. Observe que o telhado ficou dividido em 2 áreas. A Área 1 de 7,20 X 8,00 e a Área 2 de 4,50 X 8,00 m.

NOTA IMPORTANTE: Na determinação dos pontos de descida, é bom sempre pensar que um deles pode ser entupido por folhas de árvores ou uma embalagem plástica. Já encontrei na boca de descida um daqueles capuz de plástico que se usa para não molhar o cabelo. Por isso, você deve analisar o comportamento de cada descida e simulando seu entupimento verificar para que lado e por quais condutores a água vai descer. 

Esse cuidado é bom ter quando calculamos telhados próximos de mata, floresta ou bosque com árvores altas e também em região com prédios altos onde é comum o vento carregar embalagens plásticas, jornais, peças de roupas e outros objetos leves.

A água da chuva que cai na Área 1 será recolhida pela Calha 1. A Calha 1 tem duas caídas, metade da água corre para o Condutor 1 e a outra  metade para o Condutor 2. Vamos chamar de V1 a vazão que corre para cada lado na Calha 1. Lembre-se que o ponto que divide a Calha 1 não precisa, necessariamente, estar no meio da calha, podendo estar mais próximo do Condutor 2 para que se tenha menos água correndo para o Condutor 2. Observe que o Condutor 2 vai desaguar bem perto da porta da Cozinha.

Você pode mexer no caimento das calhas e fazer com que mais água escoe para um dos lados. No caso do exemplo, a vazão V1 poderia ser separada em V1a e V1b para que menos água seja conduzida para o Condutor 2, assim a entrada para a porta da cozinha terá menos água. Isso de o escoamento seja feito por cima do cimentado.


1o PASSO: Cálculo do volume de chuva por trechos do telhado: 

A vazão é calculada pela fórmula V = I X Área do Telhado. Então, para a Calha 1 temos:

V1 = 0,067 X 8,00 X 7,20/2 = 1,93 litros por segundo = 116 litros por minuto

V1 = 116 litros por minuto

Com o mesmo raciocínio, temos a vazão V2 que corre para cada lado da Calha 2:

V2 = 0,067 X 8,00 X 4,50/2 = 1,21 litros por segundo = 73 litros por minuto

V2 = 73 litros por minuto


2o PASSO: Dimensionamento das Calhas: 

Existem muitos modelos de calhas e a escolha se faz em função das características arquitetônicas do edifício e a capacidade de vazão delas é em função da forma da seção transversal. As seções mais usuais são:

      

Você deve escolher uma calha com as dimensões que conseguem dar vazão ao volume de água fornecida pelo telhado.

A norma NBR-10844 dá as vazões para um caimento de 2%

CALHA RETANGULAR
de chapa de aço galvanizado
  CALHA SEMI-CIRCULAR
de PVC
LARGURA L
centímetros
ALTURA H
centímetros
VAZÃO Q
litros por minuto
  DIÂMETRO
milímetros
VAZÃO Q
litros por minuto
15 7 375   100 348
20 10 886   150 1.026
30 15 2.612   200 2.209
40 20 5.625   250 4.005

Consultando a tabela acima, vemos que a Calha 1 que precisa conduzir 116 litros por minuto pode ter o diâmetro de 100 mm podendo conduzir até 348 litros por minuto, deixando uma folga de mais de 200%. Da mesma forma, vemos que a Calha 2 que precisa conduzir 73 litros por minuto pode ter tembém um diâmetro de 100 mm com uma folga bem maior. Estamos com bastante folga e podemos até pensar em algum obstáculo para o escoamento dentro da calha. Por exemplo, caso haja um entupimento dos condutores 1 e 3, toda a água deverá ser conduzida pelo condutor 2.

Neste caso, a vazão total será de 2(116+73) = 378 litros por minuto que não cabe no semi-circulo de 100mm vindo a invadir a parte reta da calha. Subindo apenas 2 centímetros a capacidade da calha aumenta em 38 litros por minutos, totalizando 386 litros por segundo, maior que os 378.


3o PASSO: Dimensionamento dos Condutores de Descidda: 

De acordo com o item 5.6.1 da norma NBR-10844, os condutores verticais devem ser projetados, sempre que possível, em uma só prumada, evitando desvios, curvas, trechos inclinados e horizontais.

A descida das águas pluviais pelos condutores de descida se vale do fenômeno da sucção quando se forma um regime afogado no condutor de descida.

Veja os regimes de escoamento que se formam no bocal da calha:

   

Em todos esses regimes de escoamento há penetração de ar de modo que a água que desce escoa em tubo aberto. Do ponto de vista da hidráulica, o bocal funciona como um orifício de pequenas dimensões e a vazão que passa pelo orifício pode ser calculada pela fórmula:

  D = 100 mm D = 75 mm
H (cm) Q litros/min Q litros/min
1                 500               282
2                 708               398
3                 867               488
4             1.001               563
5             1.119               630
6             1.226               690
7             1.324               745
8             1.415               797
9             1.501               845
10             1.583               891

Ao contrário, quando a calha afoga o bocal de descida, a água que desce passa para o regime afogado e exerce uma força de sucção que é proporcional ao comprimento L do tubo e à altura H da lâmina da água na calha.

Ao contrário do regime em tubo livre em que há uma fórmula, o regime afogado não possue uma fórmula de fácil manipulação e os parâmetros envolvidos são determinados de forma experimental ou por meio de nomogramas.

A norma NBR-10844 leva em consideração o escoamento em regime afogado no Tubo de Queda e para facilitar a determinação dos parâmetros, fornece um nomograma que, à primeira vista, é de manuseio muito complicado:

Mas, vou mostrar através de exemplos práticos como é muito fácil usar o nomograma. Veja algumas simulações que fiz:

   

Para que haja a formação do regime afogado é necessário que o tubo de queda seja instalado perfeitamente na vertical. Qualquer inclinação favorecerá a formação do vórtice que criará uma sucção do ar. Veja algumas situações em que não há a formação do fenômeno do regime afogado e, portanto, a saída da água da calha ocorre no regime de escoamento livre, sem tirar proveito da força de sucção e, consequentemente, a capacidade de escoamento será bem menor.

 

Esta é uma das situações relativamente comuns de transbordamento e inundação das áreas internas do edifício causando grandes danos aos móveis. Mesmo que seja um pequeno trecho será sempre positivo instalar um condutor de queda na vertical.

 

Grelhas e outros objetos instalados na boca do Tubo de Queda agirá contra a formação do afogamento, isto é, vai impedir a formação do afogamento. Além disso as folhas de árvores que cairem no telhado e carregadas pela enxurrada para as calhas entopem as grelhas e causam transbordamento.

O ideal é não colocar nada no bocal de entrada do tubo de queda. Sendo instalado um tubo com comprimento de no mínimo 1,50 metros, a pressão de sucção é tão forte que suga as folhas para dentro do tubo de queda e as folhas vão parar na caixa de inspeção instalada no solo.

Nos telhados de casas localizadas próximo a floresta e mata, recomendamos não colocar calhas. A mesma recomendação para casas localizadas próximas a prédios altos pois é comum vir voando jornais, embalagens e até touca de banho.

Por fim, veja um comparativo entre as capacidades de escoamento de algumas soluções comuns:


UM POUCO DE HIDRODINÂMICA DO FLUXO DE ÁGUA:

Olhando para os desenhos acima, vem uma pergunta: Por que um mesmo tubo de 100 mm apresenta capacidades de vazão diferentes quando disposto na horizontal ou na vertical?

A Hidrodinâmica dos Fluidos define 2 regimes de escoamento de um líquido por um condutor: o Regime Forçado e o Regime Livre.

1- ESCOAMENTO EM REGIME FORÇADO:

Encontramos o escoamento de água em regime forçado nos tubos de distribuição de água.

A vazão depende apenas da diferença de pressão entre 2 pontos, por exemplo A e B, e não importa se o tubo está na horizontal, na vertal ou qualquer inclinação. A vazão só depende da diferença de pressão. Quanto maior a diferença maior será a vazão.

A principal característica desse regime é que a água ocupa totalmente o interior do tubo.

2- ESCOAMENTO EM REGIME LIVRE:

Já o escoamento de água em regime livre encontramos nas calhas e condutores de águas pluviais. Neste regime, a água não consegue ocupar totalmente a seção do tubo havendo sempre uma parte ocupada pelo ar.

A vazão depende da inclinação do tubo e quando o tubo está na horizontal, isto é, em nível, não há desnível então a vazão será zero, isto é, não há escoamento da água. Quanto maior for a inclinação do tubo maior será a vazão da água dentro dele.

A principal característica desse regime é que há sempre uma camada de ar convivendo com o escoamento da água.

Segundo estudos laboratoriais, a velocidade máxima ocorre quando a água atinge uma altura, no interior do tubo, a altura y = 0,81D e a vazão máxima ocorre quando a água atinge uma altura de y = 0,95D. Um tubo que escoa água em regime livre jamais terá a sua seção transversal totalmente ocupada pelo fluxo.

Para um tubo de 100 milímetros de diâmetro e inclinação de 2%, a vazão máxima depende ainda do estado de conservação das paredes internas do tubo. Tubo novo é liso e tubo velho apresenta as paredes intervnas um tanto quanto rugoso. Nestas condições, a vazão máxima será de Q = 919 litros por minuto.

 

Então, por que o tubo na condição da foto abaixo, isto é, um tubo de 100 mm saindo da lateral da calha, não consegue dar vazão a Q = 919 litros por segundo?

é porque existe um fenômeno, chamado Efeito de Borda, que atua hidrodinâmicamnete sobre o fluxo da água. Veja o que acontece numa abertura circular de 100 mm de diâmetro.

Efeito interessante é o Paradoxo do Bocal Cilíndrico Exterior, que é um fenômeno em que naquela abertura do desenho acima acoplamos um tubo cilíndrico também de 100 mm de diâmetro e achando que, pela "perturbação" causada pelo tubo, a vazão de Q = 180 litros por minuto irá diminuir mas não é isso que acontece, paradoxalmente, a vazão aumenta. No caso do tubo de 100 milímetros, o aumento é de exatamente 32%, passando de Q = 180 l/min para Q = 238 l/min.

Você pode aumentar a vazão, isto é, diminuir o Efeito de Borda, arredondando a borda da abertura. Quanto maior o raio, ou os raios pois a curvatura bhidráulica não é circular, menor será o efeito. Entretanto, o aumento do raio aumenta a superfície de atrito criando uma perda de carga por singularidade que, também, reduz a vazão. A vazão máxima é obtida quando a curvatura de entrada no tubo tem um perfil geométrico de Creager que garante que ao longo da superfície de contato a pressão na água varie linearmente.

Infelizmente, na conexão da calha com o bocal não há espaço suficiente para a formação de uma superfície curva que direcione o fluxo da água de forma a se atingir vazões maiores que Q = 238 litros por minuto.

O Efeito de Bordo age também no bocal vertical, limitando a vazão em Q = 219 litros por minuto. Neste caso não ocorre o Paradoxo do Bocal Cilíndrico Exterior. Também não ocorre o fenômeno de sucção. Então a vazão máxima será sempre Q = 219 litros por minuto em todos os casos seguintes:

     

Não sendo capaz de conduzir toda a água que cai no telhado, a calha irá transbordar:

 

Veja outros sites que tratam de recursos hídricos.

ROTARY INTERNATIONAL

Veja uma matéria sobre ÁGUA na edição de março de 2020 da revista do Rotary.
PEGADA HÍDRICA

Veja quanta água é necessária para a fabricação.
RECURSOS HÍDRICOS NO BRASIL

Veja questões relativas aos recursos hídricos neste país
que possui a maior reserva de água doce do mundo.
LAGOA DOS PATOS

Veja quem anda matando a Lagoa.
 

 

Colaboração: Levão Souza - Perito Criminal - Tocantins.

\RMW\telhado\tlhcur11.htm em 09/01/2005, atualizado em 14/03/2021 .