Análisis de la caída de rayos sobre el Cristo Redentor


La estatua del Cristo Redentor localizada en la cima del morro de Corcovado en la ciudad de Río de Janeiro (RJ) atrae cerca de dos millones de turistas cada año y es considerada una de las Siete Maravillas del Mundo Moderno. Debido a su tamaño y al hecho de estar en la cima de una montaña de 710 metros, el Cristo Redentor es frecuentemente alcanzado por rayos.

ESSS utilizó las soluciones ANSYS para crear un ambiente virtual en que la estatua es alcanzada por un rayo, pudiéndose analizar los impactos sobre la estructura del Cristo Redentor.

El Software ANSYS es utilizado para analizar la posibilidad de que un rayo pueda alcanzar diferentes partes del Cristo Redentor, determinando la densidad de la carga acumulada. Las áreas destacadas en rojo indican las áreas de mayor riesgo de caída de relámpago

El Software ANSYS es utilizado para analizar la posibilidad de que un rayo pueda alcanzar diferentes partes del Cristo Redentor, determinando la densidad de la carga acumulada. Las áreas destacadas en rojo indican las áreas de mayor riesgo de caída de relámpago


Simulación de Relámpagos

Los relámpagos tienen lugar cuando la carga eléctrica entre dos objetos es suficientemente grande para ionizar el aire, esto hace que una gran cantidad de corriente fluya desde el potencial más elevado hacia el menor. La prevención y la mitigación de estos fenómenos ganan un interés especial en la ingeniería cuando se trabaja en el desarrollo de sistemas de protección contra rayos (para-rayos).

Los para-rayos tiene la función de atraer los relámpagos y controlar la interacción con la estructura que protege. Para lograr esto, poseen características que buscan concentrar una alta densidad de carga acumulada, tal como puntas finas, lo cual los hace blancos probables de relámpagos. Para efectuar una protección correcta, los para-rayos son conectados a un cable de cobre que desplaza las cargas hasta el suelo, desviándolo de la estructura.

Para determinar los efectos de los rayos sobre el Cristo Redentor, utilizamos las soluciones ANSYS Q3D Extractor y ANSYS Maxwell para realizar análisis electroestáticas y ANSYS HFSS para los análisis transientes electromagnéticos. Estas herramientas ofrecen la interesante característica de generar una malla adaptativa automática, produciendo resultados de alta precisión. De esta forma, el usuario no necesita un conocimiento de técnicas numéricas y sólo especificar la geometría, las propiedades del material y los resultados deseados.

Esta capacidad (la de generar malla con mejor aprovechamiento del tiempo) elimina la necesidad de construir y refinar la malla manualmente utilizando elementos finitos. Además de esto, una nueva capacidad del ANSYS HFSS es el solver eletromagnético transiente implícito utilizando elementos finitos (exclusivo entre los códigos de simulación computacional comerciales), que resuelve con precisión problemas eléctricos como relámpagos y descargas eletrostáticas muy rápidamente.

Análisis Electrostático
La simulación que desarrollamos muestra las áreas donde los rayos generalmente caen y cual sería el posicionamiento ideal de los para-rayos para que su funcionamiento sea más eficaz. Con esto, fue posible determinar que el Cristo Redentor tiene un gran potencial de atracción cuando está expuesto a las nubes con cargas de alto potencial eléctrico, donde grandes cargas eléctricas se acumulan.

Para determinar dónde están las zonas con concentración de cargas más elevadas, es decir las más susceptibles a ofrecer un punto de contacto para la ionización y caída del rayo, fue analizada la densidad de carga acumulada sobre la estructura. Los análisis electrostáticos utilizando ANSYS Q3D Extractor y ANSYS Maxwell hacen esto posible para determinar la mejor posición y la cantidad de para-rayos para una eficiencia máxima.

Vea el vídeo de la simulación del rayo alcanzando Cristo Redentor en: http://esss.com.br/www_cae/Ansoft_Install/r16/christ_lightning.html

Análisis de Campo Electromagnético Transiente
Los rayos son modelados como una fuente de corriente con una forma de impulso representada a través de una ecuación de exponencial doble del tiempo. Esta forma de onda está prescrita en diversas normas militares y aeroespaciales. El camino actual para la caída del rayo fue simulado como un contacto directo con la estatua en vez de la formación del arco de plasma. Eso permitió que los ingenieros estudien los efectos de distribución de corriente en toda la estructura del Cristo Redentor.

Las distribuciones de temperatura y posterior deformación a lo largo de la estatua fueron analizadas utilizando el ANSYS HFSS acoplado al ANSYS Mechanical, por medio de ANSYS Workbench y se logró identificar los puntos de concentración de tensión a partir de los efectos de calentamiento. Utilizando un análisis térmico-estructural es posible determinar los daños y deformación causados a los para-rayos.

Además de esto, también utilizamos ANSYS HFSS para calcular la densidad de pérdidas de superficie sobre las partes metálicas y la densidad de pérdidas volumétricas en las partes dieléctricas. Esas pérdidas fueron utilizadas como datos de entrada para el análisis de fatiga térmica y mecánica para evaluar la integridad global de la estructura de la estatua.

La ingeniería de simulación es una herramienta valiosa en el desarrollo de nuevas estructuras, mantenimiento, reparación y prevención del deterioro de los edificios históricos y obras de arte. Finalmente, el tiempo y los elementos tienen un precio y el conocimiento adquirido a partir de la simulación puede ayudar a conservar esas maravillas a un costo menor para que puedan ser apreciadas por muchas generaciones.

Simulación de la deformación estructural de un para-rayos

Simulación de la deformación estructural de un para-rayos


Daños causados por relámpagos

Los relámpagos han causado significativos daños al revestimiento de piedra-sabão en el Cristo Redentor al largo de los años. Los para-rayos ayudan a prevenir que la mayoría de los rayos impacte directamente sobre la superficie de la estatua, pero a pesar de esas medidas de seguridad, ella es alcanzada por rayos en promedio unas cinco veces por año.

En 2010, la combinación entre relámpagos y los daños causados por la lluvia, generaron daños cuyo costo de reparación alcanzó los U$ 4 millones. A comienzos de 2014, el Cristo Redentor fue dañado en el rostro y en las manos por un relámpago. El daño resultante fue significativo y fueron necesarios meses para repararlo y rehacer la instalación de los para-rayos.

Rayo alcanza la mano de Cristo Redentor en 2014 (Fuente: Diario  “Folha de São Paulo”)

Rayo alcanza la mano de Cristo Redentor en 2014 (Fuente: Diario “Folha de São Paulo”)


Historia de Cristo Redentor

El Cristo Redentor comenzó a ser construido en 1922 y fue concluido nueve años después, en 1931, con 635 toneladas, 30 metros de altura y una apertura de brazos de 28 metros. La estructura interna del Cristo Redentor fue hecha reforzada con cemento y está revestida con una capa de ladrillos triangulares de piedra-sabão.

El ingeniero Brasileño Heitor de Silva Costa y el ingeniero Francés especialista en hormigón armado Albert Caquot se inspiraron en el diseño de las obras del escultor Francés Paul Landowski para la construcción de la estatua. Esas características le dieron al Cristo Redentor la más perfecta armonía entre la ingeniería y el arte.


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