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Universidade de Brasília – UnB Departamento de Faculdade de Tecnologia – FT Engenharia Elétrica – ENE
Projeto Final de Graduação em
Engenharia Elétrica
LEVANTAMENTO DE ESTRUTURAS QUE NECESSITAM DE SPDA NA UnB E ANÁLISE DE SEUS EFETIVOS SISTEMAS DE
PROTEÇÃO
Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé
Brasília – DF, dezembro de 2003.
Universidade de Brasília – UnB Departamento de Faculdade de Tecnologia – FT Engenharia Elétrica – ENE
– ii –
Projeto Final de Graduação em
Engenharia Elétrica
LEVANTAMENTO DE ESTRUTURAS QUE NECESSITAM DE SPDA NA UnB E ANÁLISE DE SEUS EFETIVOS SISTEMAS DE
PROTEÇÃO
Por: Fernando Nominato Coutinho
Cássio Alexandre Altoé
Orientador: Professor Alcides Leandro da Silva
Brasília – DF, dezembro de 2003.
Universidade de Brasília – UnB Departamento de Faculdade de Tecnologia – FT Engenharia Elétrica – ENE
– iii –
LEVANTAMENTO DE ESTRUTURAS QUE NECESSITAM DE SPDA NA UnB E ANÁLISE DE SEUS EFETIVOS SISTEMAS DE
PROTEÇÃO
Por: Fernando Nominato Coutinho
Cássio Alexandre Altoé
Banca Examinadora:
______________________________________ Alcides Leandro da Silva, Mestre (UnB) (Orientador) ______________________________________ Francisco Damasceno Freitas, Doutor (UnB) ______________________________________ Mauro Moura Severino, Mestre (UnB)
Brasília – DF, dezembro de 2003.
UnB/FT/EnE
Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – iv – 98/04960
DEDICATÓRIA
Dedico ao meu saudoso padrasto Roberto, a minha querida mãe Valdivina e a meu
inestimável irmão Francisco, os quais sempre acreditaram e me apoiaram.
Fernando Nominato Coutinho
Dedico à minha querida família, meu pai Nemésio, minha mãe Nair e meu irmão
Andrey, pelo amor e carinho incondicional.
Cássio Alexandre Altoé
UnB/FT/EnE
Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – v – 98/04960
AGRADECIMENTO
Agradeço a Deus, a toda minha família pelo apoio e incentivo, aos amigos Cássio
Altoé, Pablo de Carvalho, José Vicente, Paulo Rasi e Reginaldo Elias pelo apoio e ajuda,
aos professores com quem tive a oportunidade de convívio, ao professor Carlos Tadeu, e
em especial ao Professor Alcides Leandro pela orientação e oportunidade.
Fernando Nominato Coutinho
Agradeço primeiramente a Deus, pelo dom da vida, a meus pais Nemésio e Nair,
meu irmão Andrey, que tanto desejaram que esse momento se concretizasse. Ao Fernando
pela amizade e confiança nesse projeto, ao professor Alcides Leandro pelo apoio e
motivação durante esse período de trabalho e ao professor Carlos Tadeu. Por fim, a todos
os meus grandes amigos que torceram pelo sucesso de mais um passo importante na minha
vida.
Cássio Alexandre Altoé
UnB/FT/EnE
Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – vi – 98/04960
“Por momentos um cúmulus compacto,
de bordas acobreado-escuras, negreja no horizonte.
Deste ponto sopra, logo depois, uma viração,
cuja velocidade cresce rápida,
em ventanias fortes.
........................................
A temperatura cai em minutos e,
minutos depois, os tufões sacodem
violentamente a terra.
....................................................
Fulguram relâmpagos; estrugem trovoadas nos
céus já de todo bruscos e um aguaceiro torrencial
desce logo sobre aquelas vastas planícies.”
(Euclides da Cunha descrevendo a tempestade, uma das mais
espalhafatosas manifestações da natureza,
objeto de estudo de filósofos e cientistas
desde a antiguidade.)
UnB/FT/EnE
Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – vii – 98/04960
RESUMO
Este trabalho trata de um fenômeno muito comum, que a muitos encanta pela
imponência e beleza ímpares e a outros amedronta pela sua fatalidade e alto poder de
destruição, o raio.
Visando uma melhor compreensão dos assuntos abordados no texto, introduziram-
se vários conceitos e explicações acerca desse fenômeno, como sua formação, descargas
atmosféricas, locais de maior ocorrência, dentre outros.
O objetivo maior desse trabalho é mostrar a importância da implementação correta
de sistemas de proteção contras descargas atmosféricas, sua eficácia quanto à proteção de
edificações, e analisar a real situação desses sistemas implementados no campus da
Universidade de Brasília – UnB. Será apresentado também um modelo de projeto de SPDA
que foi realizado em conjunto com a universidade, no projeto do novo prédio da Facce, que
brevemente será construído no campus.
UnB/FT/EnE
Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – viii – 98/04960
SUMÁRIO
RESUMO...............................................................................................................................vii
SUMÁRIO............................................................................................................................viii
LISTA DE FIGURAS............................................................................................................. x
LISTA DE TABELAS...........................................................................................................xi
1 – INTRODUÇÃO................................................................................................................. 1
2 – METODOLOGIA............................................................................................................. 3
3 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................................... 4
3.1 – ORIGEM HISTÓRICA................................................................................................. 4
3.2 – FORMAÇÃO DO RAIO................................................................................................ 6
3.2.1 – Formação de Cargas nas Nuvens ................................................................... 6
3.2.2 – Formação do Raio............................................................................................ 7
3.3 – EFEITO PLASMA ..................................................................................................... 10
3.4 – DESCARGA ELÉTRICA NUVEM/TERRA .................................................................. 13
3.4.1 – Precursor ........................................................................................................ 13
3.4.2 – Último Salto.................................................................................................... 16
3.4.3 – Descarga ......................................................................................................... 16
3.5 – INCIDÊNCIA DE RAIOS ............................................................................................ 17
4 – EQUIPAMENTOS DE PROTEÇÃO............................................................................ 18
4.1 – PÁRA-RAIO: PRINCIPAIS FUNÇÕES......................................................................... 18
4.2 – MÉTODO DE NÍVEL DE PROTEÇÃO ........................................................................ 21
4.3 – AVALIAÇÃO DO RISCO DE EXPOSIÇÃO .................................................................. 22
4.4 – AVALIAÇÃO GERAL DE RISCO ............................................................................... 24
5 – FORMAS DE ELABORAÇÃO ..................................................................................... 27
5.1 – SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS .......................... 27
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Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – ix – 98/04960
5.2 – NÍVEIS DE PROTEÇÃO............................................................................................. 29
5.3 – SISTEMA DE PROTEÇÃO – MÉTODO DE FRANKLIN ............................................... 29
5.4 – SISTEMA DE PROTEÇÃO – MÉTODO ELETROGEOMÉTRICO OU ESFERA ROLANTE
......................................................................................................................................... 31
5.5 – SISTEMA DE PROTEÇÃO – MÉTODO DA GAIOLA DE FARADAY............................. 32
5.6 – CAPTORES RADIOATIVOS....................................................................................... 34
6 – ANÁLISE DE EDIFICAÇÕES ..................................................................................... 40
7 – MODELO IMPLEMENTADO..................................................................................... 44
8 – CONCLUSÕES ............................................................................................................... 50
9 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 52
ANEXO .................................................................................................................................... 54
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Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – x – 98/04960
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1: Nuvem carregada eletricamente..................................................................... 7
Figura 3.2: Descarga elétrica entre a nuvem e a terra. .................................................... 9
Figura 3.3: Precursor ou piloto descendente – Ponto de impacto na descarga à terra.
..................................................................................................................................... 14
Figura 3.4: Descarga descendente, com piloto ascendente (à direita) para um ramo
lateral da descarga..................................................................................................... 15
Figura 4.1: Neutralização pelo poder das pontas. .......................................................... 19
Figura 4.2: Caminho em busca da neutralidade............................................................. 19
Figura 4.3: Mapa isocerâunico do Brasil. ....................................................................... 22
Figura 4.4: Mapa isocerâunico dos estados de Goiás e Distrito Federal. ..................... 23
Figura 4.4: Delimitação da área de exposição equivalente (Ae).................................... 24
Figura 5.1: Cone de proteção pelo método de Franklin................................................. 30
Figura 5.2: Exemplo do modelo da esfera rolante.......................................................... 32
Figura 5.3: Zoom da captação. ......................................................................................... 32
Figura 5.4: Sistema de proteção completo. ..................................................................... 34
Figura 5.5: Captor radioativo (1)..................................................................................... 38
Figura 5.6: Captor radioativo (2)..................................................................................... 39
Figura 5.7: Captor radioativo (3)..................................................................................... 39
Figura 6.1: Localização no Campus................................................................................. 40
Figura 6.2: Localização dos pára-raios na FT. ............................................................... 41
Figura 6.3: Área efetiva de proteção na FT (1)............................................................... 41
Figura 6.4: Área efetiva de proteção na FT (2)............................................................... 42
Figura 6.5: Localização do IDA. ...................................................................................... 43
Figura 7.1: Gráfico da resistividade no terreno próximo ao prédio de Sismologia..... 45
Figura 7.2: Gráfico da resistividade no terreno perto das piscinas no CO.................. 46
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Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – xi – 98/04960
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1: Principais constantes dielétricas. ................................................................. 12
Tabela 3.2: Correntes de descarga mínimas interceptadas nos quatro níveis de
proteção normalizados. ............................................................................................. 15
Tabela 4.1: Fator de ponderação A, em função do tipo de ocupação. .......................... 25
Tabela 4.2: Fator B, em função do material da construção e da cobertura................ 25
Tabela 4.3: Fator de ponderação C, em função do conteúdo. ....................................... 26
Tabela 4.4:Fator de ponderação D, em função da Localização. ................................... 26
Tabela 4.5: Fator de ponderação E, em função da Topografia..................................... 26
Tabela 5.1: Ângulo de proteção do método de Franklin................................................ 30
Tabela 5.2: Raio de proteção do Modelo Eletrogeométrico. ......................................... 31
Tabela 5.3: Dimensões da malha de proteção pelo Método de Faraday. ..................... 33
Tabela 7.1: Dados referentes ao cálculo da Resistividade perto do prédio da
Sismologia................................................................................................................... 44
Tabela 7.2: Dados referentes ao cálculo da Resistividade perto das piscinas do CO.. 45
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Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – 1 – 98/04960
1 – INTRODUÇÃO
O raio é um fenômeno natural que sempre impôs temor aos homens, tanto pelo
ruído do trovão como pelos incêndios e destruições que causa. Foi longo o caminho
percorrido para se descobrir a natureza elétrica das descargas atmosféricas e para se chegar
a regras confiáveis de proteção para propriedades, aparelhos, equipamentos, objetos,
animais e, principalmente, para as pessoas.
Como há muita coisa desconhecida sobre os raios, embora a eficiência dos
sistemas de proteção venha sendo melhorada ano após ano, não se chegou ainda a uma
proteção completa, ou 100% eficiente.
A decisão de proteger uma estrutura contra os raios pode ser uma exigência legal
(no Brasil, são os códigos de obras municipais), uma precaução do proprietário para evitar
prejuízos ou ainda uma exigência das companhias de seguro, já que os raios são causas de
danos físicos e incêndios.
As normas devem fornecer subsídios para os legisladores, proprietários e agentes
de seguros decidirem quanto à necessidade de proteção.
Este trabalho tem como objetivos levar ao conhecimento de todos, em especial,
engenheiros eletricistas e interessados no assunto, algumas orientações técnicas e práticas
de implantação de Sistemas de Proteção Contra Descargas Atmosféricas, SPDA, baseado
nesse estudo. Foi usada uma linguagem acessível para facilitar o entendimento de leigos e
pessoas com poucos conhecimentos na área elétrica.
As orientações aqui contidas foram embasadas nas Normas Técnicas NBR –
5419/2001.
Outro objetivo deste trabalho é torná-lo capaz de compreender que, ao contrário da
crença popular, os pára-raios têm como função principal “parar os raios”, ou seja, impedir
que estes ocorram. Não sendo isso possível, prevalece a função secundária dos pára-raios,
que é propiciar um caminho seguro para as cargas elétricas.
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Ressalta-se que a linha de pesquisa e exploração deste trabalho foi realizada em
função da visível precariedade e descaso com respeito ao aterramento das edificações do
Campus da UnB. Foi realizado em projeto conjunto à construção do novo prédio da Facce
(Faculdade de Administração, Ciências Contábeis e Econômicas), que serviu de laboratório
de pesquisa e implementação, onde foram realizados projetos de aterramento e cálculo de
SPDA.
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2 – METODOLOGIA
Visando a melhoria, conforto e segurança da população em geral e de nossa
instituição de ensino, foi proposto um levantamento de quais edificações dentro do campus
da universidade necessitam de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas e
respectiva análise a respeito do funcionamento dos sistemas já implementados.
Foram avaliados os sistemas de proteção de edificações distintas, escolhidas
levando-se em conta o tamanho, funcionalidade e idade do projeto, sendo elas o moderno
edifício do IDA – Complexo de Artes, o SG – 11, onde funcionam os laboratórios do
Departamento de Engenharia Elétrica, e a Faculdade de Tecnologia – FT.
Com o uso de equipamentos como terrômetro digital, analógico, resistivímetro,
terrômetro alicate e intenso levantamento visual, foi possível analisar e acompanhar o
posicionamento de pára-raios, existência de malhas de aterramento, descidas de cabos
condutores, localização de hastes de aterramento, sua interconexão com a malha de
aterramento, utilização de captores e estruturas do próprio edifício em questão, como
descidas naturais.
Foi levantada também a questão da manutenção desses sistemas de proteção,
como a inspeção de caixas de vistoria e constatação de sua existência ou não, amarração de
condutores às hastes e malha do sistema, existência de pára-raios radioativos ainda
integrados ao sistema, bem como o cumprimento as condições de segurança previstas em
Norma para descida de condutores e implementação do SPDA.
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3 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1 – ORIGEM HISTÓRICA Benjamin Franklin (1706 – 1790), escritor, inventor, cientista, diplomata e
patriota norte-americano. Seus contemporâneos o chamavam de “apóstolo dos tempos
modernos” e de “mentor imortal”. Foi um dos homens mais conhecidos e admirados do
mundo, na segunda metade do século XVIII.
Sua vida e seu pensamento foram, porém, tão complexos e marcada, por aparentes
contradições, que alguns de seus mais perspicazes intérpretes não souberam apreciá-los em
suas verdadeiras dimensões. Benjamin Franklin serviu de diversos modos a seu povo e foi
decisivo o papel que representou para que se transformassem as 13 colônias inglesas da
América nos atuais Estados Unidos da América. Nasceu em Boston e foi o décimo quinto
de 17 irmãos. Aprendeu a ler sozinho. Seu pai, que o desejava pastor protestante, mandou-
o para a escola aos oito anos, na impossibilidade, porém, de continuar a pagar-lhe os
estudos, dois anos depois o levou a trabalhar em sua companhia. Franklin foi aprendiz na
tipografia de propriedade de um dos irmãos. Aprendeu logo o ofício. Pediu emprestados
alguns livros aos amigos de seu irmão e leu Pilgrim’s Progress (“A Marcha do Peregrino”),
de Bunyan, as Vidas Paralelas de Plutarco, Ensaios sobre o Pensamento Humano, de
Locke. Estudava bastante e escrevia ensaios e poesias. Quis escrever alguma coisa para o
seminário de seu irmão James, mas temendo que este não gostasse do que elaborava,
disfarçou a letra e assinou o artigo com o pseudônimo Silence Dogood. À noite, passou o
artigo por baixo da porta da oficina.
James o encontrou no dia, e considerou-o muito bom. Publicou-o, bem como os
seguintes que iam chegando, mas quando soube que o autor era Benjamin, negou-se a
continuar os aceitando.
Aos 17 anos Benjamin fugiu para Nova York. Encontrou, finalmente trabalho na
Filadélfia. Era tão bom impressor que o governador da Pensilvânia ofereceu-se para ajudá-
lo a instalar uma oficina própria. Sugeriu-lhe que fosse à Inglaterra comprar o material e
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prometeu-lhe mandar uma carta de crédito. O governador não cumpriu a promessa e
Franklin desembarcou em Londres com pouco dinheiro.
Empregou-se a partir de então numa tipografia e permaneceu vários meses na
Inglaterra, onde fez numerosos amigos.
Ao regressar à Filadélfia trabalhou arduamente e, em pouco tempo, tornou-se
proprietário de uma tipografia e de um periódico, a que chamou de Pensylvania Gazette,
mais tarde transformando no Saturday Evening Post. Escreveu e imprimiu o Almanaque do
Pobre Ricardo, que continha anedotas e provérbios ainda hoje lembrados, tais como
“Deita-te cedo, levanta-te cedo e serás rico, sábio e sadio”. O jornal e o almanaque
vendiam-se tão bem que Franklin montou tipografias em outras colônias.
Aos 47 anos fizera tamanha fortuna que se retirou dos negócios. Criou em
Filadélfia um corpo de bombeiros. Fundou a primeira biblioteca circulante dos EUA. Uma
academia que mais tarde se transformou na Universidade da Pensilvânia. Organizou um
clube de leitura e debates de Filosofia, e ajudou a fundar o Hospital da Pensilvânia. Nunca
deixou de estudar, aprendeu vários idiomas e a tocar diversos instrumentos. Gostava das
ciências, principalmente da Eletricidade.
Em 1752, fazendo voar, para divertimento de seu filho, um papagaio de seda e
metal, durante uma tempestade, registrou que sentiu pequenas descargas elétricas
intermitentes pelo seu corpo. Já o pesquisador russo G. W. Richman não teve a mesma
sorte, pois, ao repetir a experiência de Franklin, morreu fulminado pelo raio que caiu em
sua pipa. Franklin inventou então o pára-raios a fim de proteger as casas. Suas obras sobre
a eletricidade foram publicadas nas colônias e na Europa, e a mais importante delas foi
Experiments and Observations on Eletricity (“Experiências e Observações sobre
Eletricidade”). Criou alguns termos técnicos que ainda hoje são usados, como bateria e
condensador. Em 1751, participou da Assembléia-Geral que ajudou a governar a
Pensilvânia e, em 1753, assumiu a direção dos Correios de todas as colônias.
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3.2 – FORMAÇÃO DO RAIO
A formação de cargas nas nuvens, e a sua conseqüente descarga a terra, é um
fenômeno normal e natural que vem acompanhando o cotidiano desde os primórdios da
Humanidade.
Para algumas civilizações primitivas, o raio era uma dádiva dos deuses, pois com
ele quase sempre vem as chuvas e a abundância na lavoura. Para outras civilizações, era
considerado como um castigo, e a pessoa que morria num acidente de raio provavelmente
havia irritado os deuses, e o castigo era merecido. Havia também civilizações que
glorificavam o defunto atingido por um raio, pois ele havia sido escolhido entre tantos
seres humanos, com direito a funeral com honras especiais.
3.2.1 – Formação de Cargas nas Nuvens
Esse fenômeno ainda não é totalmente conhecido pela comunidade científica, mas
existem várias teorias a respeito.
Primeiramente considera-se que a Terra possui cargas negativas em excesso e,
portanto, ela é considerada como referencial negativo.
As correntes de ar ascendentes carregam consigo grande quantidade de umidade.
Esta por sua vez, ao encontrar temperaturas mais baixas em regiões mais altas, se
condensa, e forma várias gotículas de água suspensas na atmosfera. Essas gotículas vão se
agrupando até formarem gotas maiores. Nessas gotas são induzidas cargas positivas na
parte inferior da gota e cargas negativas na sua parte superior, já que nosso referencial, a
Terra, é negativo. Quando essas gotas atingem um tamanho de aproximadamente cinco
mm de diâmetro, tornam-se instáveis e se fragmentam em gotículas menores, distribuindo-
se assim os íons positivos na parte inferior e os íons negativos na parte superior.
Esses íons positivos chocam-se com várias gotículas de água carregadas pelas
correntes de ar ascendentes. Assim, essa gota neutra entrega elétrons ao íon positivo que se
neutraliza e a gota ascendente se torna positiva. Devido à elevada energia cinética com que
essas gotas se movimentam para cima, elas conseguem chegar até a parte superior das
nuvens. Já os íons negativos, como possuem menor energia cinética do que os íons
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positivos, ficam aglomerados na parte inferior das nuvens. Tem-se que aproximadamente
95% das nuvens ficam carregadas dessa maneira.
Muitas nuvens por serem muito grandes e extensas podem formar várias ilhas de
cargas elétricas, podendo se fragmentar em:
• Nuvens menores com cargas positivas e negativas
• Nuvens com cargas positivas
• Nuvens com cargas negativas
• Nuvens com cargas positivas e negativas não equilibradas
Agora que já se conhece melhor como se formam as cargas nas nuvens, pode-se
visualizar o processo de descarga e formação do raio.
3.2.2 – Formação do Raio
Como já foi visto acima, a parte inferior da nuvem está carregada negativamente,
por isso, é fácil supor que ela induza a concentração de cargas positivas no solo, que
ocupam uma área correspondente ao tamanho da nuvem. Pensando nisso como uma
sombra de cargas positivas que acompanha o movimento da nuvem arrastada pelo vento.
Figura 3.1: Nuvem carregada eletricamente.
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Neste deslocamento, as cargas positivas induzidas vão escalando árvores, prédios,
pessoas, pontes, morros, pára-raios, carros. A diferença de potencial que se forma entre a
nuvem e a terra varia de 10 a 1.000.000 kV, sendo que a altura média da nuvem varia de
300 a 5.000 metros.
Para baixas diferenças de potencial, o ar é um dos melhores isolantes entre os que
existem, contudo, a altas diferenças de potencial, até mesmo o ar começa a conduzir
eletricidade. Assim sendo, entenderemos o ar como um "dielétrico", pois na verdade não
existe um isolante elétrico (algo que nunca conduza eletricidade), todos os materiais
podem ser isolantes ou condutores (uns melhores que outros) tudo dependendo da tensão
elétrica aplicada.
Dielétricos são substâncias nas quais os elétrons estão fortemente ligados aos
núcleos dos átomos, isto é, não existem cargas livres na estrutura interna destes materiais.
Suponhamos que um campo elétrico seja aplicado a um corpo isolante, colocando-o entre
dois pólos eletrizados e de sinais opostos (no caso em questão, o chão e as nuvens). Nessas
condições, uma força elétrica atuará sobre todos os elétrons do isolante, o ar, tendendo a
arrancá-los dos seus átomos.
Sendo o campo aplicado suficientemente intenso, os elétrons serão arrancados e
tornar-se-ão elétrons livres, criando-se assim um grande número de íons no ar, alguns
positivos e outros negativos.
Devido aos íons presentes no ar, ele se torna condutor de eletricidade, permitindo
assim o surgimento da corrente elétrica (no caso em questão, dos raios). Processos
semelhantes podem ocorrer em qualquer outro isolante, dependendo apenas do valor do
campo elétrico aplicado.
É importante ressaltar que não é necessário que o gradiente de tensão seja superior
à rigidez dielétrica de toda a coluna de ar que separa a nuvem do solo. O ar entre eles não é
homogêneo, pois contém várias impurezas, umidade e ar ionizado, que estão em constante
agitação. Assim, essa coluna de ar fica muito “enfraquecida”, e um campo elétrico menor
já é suficiente para que o raio consiga perfurar o ar e descarregar na terra.
Primeiramente, pelo principio das “Cargas nas Pontas”, pequenos canais de ar
ionizado, com alta concentração de cargas, vão se formando à procura de caminhos de
menor resistência, ou seja, tenta se aproximar das cargas positivas do solo. O mesmo
acontece no solo, ou seja, cargas positivas se acumulam no topo de árvores, edifícios,
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torres, devido á “sombra elétrica” da nuvem, buscando caminhos de menor resistência para
se aproximar das cargas negativas da nuvem.
Em um condutor elétrico (aqui, o pára-raios) eletrizado as cargas elétricas tendem
a se concentrar nas suas pontas. Em virtude disso, o campo elétrico próximo a essas
regiões do condutor é muito mais intenso que nas demais regiões. Disso resulta um
aumento na força de repulsão elétrica entre as cargas. Isso faz com que as cargas elétricas
se "empurrem" até que alguma delas "caia fora da ponta". Por esse motivo as cargas
elétricas podem, com maior facilidade, escoar para fora do condutor e, se deslocam
livremente pelo meio ambiente (no caso em questão, o ar).
A descarga elétrica se dá quando esses dois canais se aproximam e a resistência
do ar é vencida.
Essa descarga provoca mais ionizações no ar ao longo de seu percurso, e a região
entre a nuvem e o solo passa a conduzir mais facilmente a corrente elétrica. Quando a
ponta do líder chega a alguns metros (entre 20 m e 50 m) do solo, uma descarga, chamada
"descarga de conexão", inicia-se de algum local do solo fechando o circuito (caminho),
formando um "fio condutor" que liga a terra à nuvem.
Figura 3.2: Descarga elétrica entre a nuvem e a terra.
O processo ilustrado acima ocorre tão rapidamente que na maioria dos casos o
olho humano não consegue distinguir suas etapas.
Tem-se então que o Raio Piloto é formado, descarregando parte da carga da nuvem para o
solo numa velocidade de aproximadamente 1.500 km/s. Após essa descarga, forma-se entre
a nuvem e a terra um canal de ar ionizado de baixíssima resistência elétrica, ou seja, a
nuvem está “curto-circuitada” a terra. Nesse momento, ocorre a descarga principal, ou
descarga de retorno, que vai da terra para a nuvem a uma velocidade de 30.000 km/s.
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Nesse raio principal, as correntes chegam a alcançar valores que variam de 2.000
a 200.000 Ampères. Ainda é possível que ocorra uma terceira descarga de curta duração
com correntes de 100 a 1.000 Ampères.
A associação dessas três descargas é que forma o conhecido Raio. Existe também
o raio de múltiplas descargas, que ocorre quando nuvens grandes necessitam de várias
descargas para se descarregarem.
A maioria dos raios ocorre entre as nuvens, ou seja, paralelamente à superfície da
terra. Próximo à Linha do Equador, da totalidade de raios de uma tempestade, a maioria
ocorre entre nuvens. À medida que a latitude aumenta, essa tendência diminui. [5]
3.3 – EFEITO PLASMA
Primeiramente, deve-se observar e entender algumas propriedades macroscópicas
dos condutores que estão intimamente relacionados com a emissão de elétrons em
superfícies metálicas.
As cargas tendem a se acumular nas pontas de um corpo condutor com uma alta
densidade de carga resultante neste ponto, isso se dá devido ao efeito das pontas. Se o raio
de curvatura destes pontos é suficientemente pequeno, uma pequena descarga ocorrerá
devido à ionização do ar pelo alto campo elétrico.
A razão pela qual as cargas tendem a se acumular nas pontas é que as cargas na
superfície do material “tentam” deixar o material o máximo possível. As pontas estão em
maior contato com o meio envolvente, neste caso o ar, e por isso as cargas se concentram
em maior número nessas pontas.
Podemos ilustrar esse princípio através do seguinte experimento:
Primeiramente pegamos uma esfera pequena de raio a1 e carga Q1 e outra esfera de
raio a2 e carga Q2 tal que a1< a2. Assim quando conectarmos uma esfera a outra por um fio
condutor, teremos que ambas as esferas estarão sob o mesmo potencial. Teremos então que
o potencial no espaço livre externo a cada esfera é dado pelas equações:
22
2
01
1
01 4
14
1 VaQ
aQV ===
πεπε
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Que se chega em:
2
1
2
1
aa
=
Onde se assume que o campo no fio condutor praticamente não influencia o
experimento, e que a distribuição de cargas nas esferas é uniforme.
Agora tem-se que a densidade de carga ρs está relacionada com a carga total e a
área da superfície por:
21
11 4 a
Qs π
ρ = e 22
22 4 a
Qs π
ρ =
Assim chega-se em:
1
2
2
1
2
2
1
2
1
aa
aa
s
s =⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
ρρ
Como ε0.Еn = ρs, tem-se então por fim que:
1
2
2
1
aa
n
n =ΕΕ
Assim, pode-se ver que o campo elétrico na esfera menor será a2/a1 vezes maiores
que o campo da esfera maior, provando dessa maneira que as cargas tendem a se
concentrar nas pontas, pois o campo elétrico tem maior intensidade nas vizinhanças desses
pontos.
O efeito corona é o resultado de um alto campo elétrico próximo de pontas em
condutores carregados, onde é rompida a constante dielétrica do meio nas vizinhanças
deste ponto provocando uma descarga. Se pegar um material e aproximar uma ponta de um
referencial como o terra e aumentar gradativamente seu potencial, percebe-se que o campo
elétrico ao redor da ponta aumentará expressivamente e ele começará a se descarregar.
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Tem-se então que o meio envolvente, neste caso o ar, começará a se ionizar
(formação do plasma), pois cargas de sinal oposto às acumuladas na ponta de nosso
material estarão sendo induzidas no nosso referencial, o terra. Assim, as cargas entre os
dois pontos começarão a se rearranjar induzidas pelo alto campo elétrico, com o intuito de
minimizar a resistência entre esses pontos. Assim se diz que o meio está se ionizando, e
quando essa resistência é vencida pelo campo elétrico, ocorre a descarga elétrica.
Abaixo se apresenta uma tabela com algumas constantes dielétricas mais utilizadas:
Material Constante Dielétrica Campo de Ruptura V/cm Ar 1 3 x 104 Óleo 2,3 1,5 x 105
Papel 3 2 x 105
Porcelana 7 2 x 105 Vidro 6 3 x 105 Parafina 2 3 x 105 Quartzo (fundido) 4 4 x 105 Polietileno 2,6 5 x 105 Mica 6 2 x 106
Tabela 3.1: Principais constantes dielétricas.
Essa descarga é caracterizada por uma baixa corrente e um alto potencial. Se o
potencial aumenta enormemente, uma descarga completa pode se desencadear, e um meio
ionizado contínuo é formado nas proximidades do ponto de polaridade oposta. O resultado
é uma rápida descarga do ponto inicialmente carregado.
O arco voltaico é justamente essa descarga que ocorre num meio gasoso como o
ar, caracterizado por altas correntes, da ordem de milhares de ampères e baixos potenciais.
Um arco voltaico pode ser considerado como um curto-circuito. Exceto pelas altas
correntes e baixos potenciais, o mecanismo de ionização do ar (plasma) nos arcos voltaicos
é o mesmo do efeito corona.
A superfície da Terra, definida como referencial, é carregada negativamente. Essa
carga é induzida pelo campo elétrico que existe entre o topo da atmosfera e a superfície da
Terra. Essa diferença de potencial é da ordem de 400.000 Volts, com um campo elétrico de
aproximadamente 100V/m próximo ao solo. A razão pela qual nós não tomamos choque
devido a esse campo, é que o corpo humano é relativamente um bom condutor. Assim, a
diferença de potencial induzida entre as extremidades do corpo humano, pés e cabeça, é
bem menor do que a de uma coluna de ar de mesma proporção. Numa tempestade, as
cargas na base de uma nuvem são tão altas que o potencial pode subir para 100.000.000
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Volts! Isso gera um campo elétrico muito maior do que os 400.000 Volts que tínhamos
inicialmente.
A grande quantidade de cargas negativas na base da nuvem carregada induzirá
uma grande quantidade de cargas positivas na superfície da Terra. O ar nessas condições
de tempestades se ioniza facilmente e essa grande quantidade irá desencadear um
gigantesco arco voltaico entre a nuvem e a Terra.
3.4 – DESCARGA ELÉTRICA NUVEM/TERRA
3.4.1 – Precursor
Quando o potencial de uma nuvem carregada relativamente a terra ultrapassa
determinado valor, atinge-se uma ruptura do dielétrico formado pelo ar circundante, que
origina um piloto descendente, ou seja, um canal condutor ionizado, que caminha por
saltos sucessivos em direção a terra. Esta descrição tornou-se possível por meio de técnica
fotográfica adequada, que revela uma linha quebrada descendente de trechos retilíneos com
orientações aleatórias. A orientação de cada novo trecho depende das heterogeneidades no
entorno da "cabeça" de cada trecho precedente, como mostram as Figuras 3.3 e 3.4.
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Figura 3.3: Precursor ou piloto descendente – Ponto de impacto na descarga a terra.
O comprimento de cada salto R é função da carga da nuvem que origina essa
descarga, e foi determinado a partir da análise de fotos de muitas descargas. A tabela 3.2
mostra esses valores para as correntes de descarga mínimas interceptadas nos quatro níveis
de proteção normalizados. Os valores da porcentagem de raios captados, também
apresentados, resultaram de investigação feita em 1945, de 2721 descargas ocorridas no
Hemisfério Norte. Eventualmente, no Brasil esses valores de porcentagem de raios
captados para cada nível de proteção poderão ser diferentes.
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Comprimento de cada salto R para as correntes de descarga mínimas interceptadas nos
quatro níveis de proteção normalizados.
Nível de Proteção Corrente do Raio (kA) Comprimento do Salto % Raios Captados
I 3,7 20 m -98
II 6,1 30 m -80
III 10,6 45 m -70
IV 16,5 60 m -60 Tabela 3.2: Correntes de descarga mínimas interceptadas nos quatro níveis de proteção normalizados (vide seção 5.2).
Como os raios avançam por saltos com direções aleatórias e comprimentos de
dezenas ou algumas centenas de metros, o ponto de impacto só é definido no último salto.
Assim, raios com corrente maior são mais facilmente captados porque "vêem" de mais
longe o captor que será seu ponto de impacto. Essa característica deu origem ao modelo
eletrogeométrico.
Figura 3.4: Descarga descendente, com piloto ascendente (à direita) para um ramo lateral da descarga.
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3.4.2 – Último Salto
O último salto fecha o circuito condutor entre a nuvem e um ponto ligado à terra
atingido, que funciona como captor da descarga, dando origem à descarga entre a nuvem e
a terra. Por vezes ocorrem, num espaço muito curto de tempo, descargas sucessivas através
do mesmo canal condutor.
Durante a tempestade, o campo elétrico na superfície da um captor origina, em
algum momento do avanço do piloto descendente para a terra, um piloto ascendente que
aumenta a eficácia do captor, fechando o circuito de descarga quando os dois pilotos se
encontram.
Assim, numa cobertura com telhas de fibrocimento, verifica-se que o raio sempre
acerta as peças metálicas da fixação das telhas, fazendo a descarga sobre a estrutura
metálica do telhado, em lugar de destruir as telhas.
Concluindo, a aproximação da descarga iminente origina pilotos ascendentes a
partir dos captores, afastando o ponto de fechamento do circuito de descarga do próprio
captor, e aumenta a sua eficácia. Esses pilotos ascendentes, dependendo das circunstâncias,
podem atingir metros ou até quilômetros de comprimento.
Assim, em prédios altos com fachadas envidraçadas, os raios podem incidir nas
estruturas condutoras de suporte dos vidros. Em fachadas normais não condutoras, em
edifícios altos, os raios podem incidir em elementos condutores de janelas ou varandas, ou
em captores específicos instalados para proteger o paramento, da destruição superficial
causada por uma descarga sobre a fachada, que acaba abrindo caminho até armaduras ou
outros condutores interiores.
3.4.3 – Descarga
A descarga, ou corrente de retorno, é a corrente de grande intensidade partindo da
terra que irá neutralizar parte da carga acumulada na nuvem. Se a carga transferida não for
suficiente, poderá, ato contínuo, processar-se uma nova descarga através do mesmo canal
condutor.
A descarga corresponde ao último trecho da figura 3.3, e desenvolve-se com
tempo crescente da terra para a nuvem, ao contrário do precursor, que se desenvolve com
tempo crescente da nuvem para a terra.
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3.5 – INCIDÊNCIA DE RAIOS
Um maior número de raios ocorre principalmente em locais mais altos, como
árvores isoladas, prédios, torres.
Um fato interessante é que o raio prefere terrenos mau condutores como os
graníticos e xistosos a terrenos bons condutores como os calcários. Isso se dá porque o
terreno mau condutor e a nuvem formam um grande capacitor. A enorme diferença de
potencial entre a nuvem e o solo provoca a ionização do ar e o aparecimento de um cheiro
adocicado indicando a presença de ozônio. A ionização do ar diminui a distância de
isolação entre a nuvem e o solo, havendo portanto, maior probabilidade do raio piloto furar
essa camada de ar, fazendo com que o raio caia nesse terreno isolante (mau condutor).
Como o terreno é isolante, não há condições de escoamento do raio, e esse tende a se
espalhar procurando caminhos de menor resistência. Em regiões onde há muita
precipitação com tempestades, a incidência de raios também é maior.
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4 – EQUIPAMENTOS DE PROTEÇÃO
4.1 – PÁRA-RAIO: PRINCIPAIS FUNÇÕES
Podem-se destacar duas funções principais dos pára-raios:
• Evitar que os raios ocorram;
• Levar a descarga atmosférica mais rápida possível para a neutralidade.
A função principal dos pára-raios é evitar que os raios ocorram. Para isso ele se
utiliza o poder das pontas.
Para explicar o poder das pontas, tem-se que em um condutor elétrico (por
exemplo, o pára-raios) eletrizado, as cargas elétricas tendem a se concentrar nas suas
pontas. Em virtude disso, o campo elétrico próximo a essas regiões do condutor é muito
mais intenso que nas demais regiões. Disso resulta um aumento na força de repulsão
elétrica entre as cargas. Isso faz com que as cargas elétricas se “empurrem” até que alguma
delas “caia fora da ponta”. Por esse motivo as cargas elétricas podem, com maior
facilidade, escoar para fora do condutor e, se deslocam livremente pelo meio ambiente (no
caso em questão, o ar).
Quando uma nuvem se aproxima de um pára-raios, ela induz cargas de sinal
contrário no solo que fica eletrizado. Se nessa região existir um pára-raios, este, também
ficará eletrizado, mas devido ao poder das pontas um maior número de cargas elétricas irá
se concentrar na ponta do pára-raios. E após uma certa concentração, as cargas começam a
serem ejetadas das pontas dos pára-raios, tornando-se, assim, íons e elétrons livres que
agora viajam pelo ar.
As nuvens atraem todas as cargas de sinal contrário que estiverem soltas no ar que
aos poucos vão neutralizando a própria nuvem como ilustrado na figura abaixo. Este
processo sendo lento, gradual e contínuo, as nuvens não concentram uma quantidade
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suficiente de carga, não sendo capazes de provocar os raios, pois são incapazes de tornar o
ar de isolante em condutor.
Figura 4.1: Neutralização pelo poder das pontas.
Na função secundária dos pára-raios, se os cúmulus-nimbus (nuvens de chuva)
chegarem muito rapidamente ou com uma quantidade de carga muito elevada, o processo
de descarga não é lento e gradual, mas se torna rápido o que aumenta muito a quantidade
de íons na ponta do pára-raios.
Considerando que os raios “são preguiçosos”, eles sempre procuram o caminho
mais fácil para chegar ao chão (neutralidade). Devido ao grande número de íons na ponta
do pára-raios, o líder desce por esse “caminho”, pois, assim, ele precisará criar um menor
número de íons para fechar o “circuito” e tornar o ar um condutor como mostra a figura a
seguir. Como os metais conduzem melhor a eletricidade, a descarga (raio) se completará
pelo pára-raios, sendo dispersada pelo solo através do aterramento.
Figura 4.2: Caminho em busca da neutralidade.
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Do ponto de vista da proteção contra os raios, um subsistema de aterramento
único integrado a estrutura é o mais recomendado para assegurar a dispersão da corrente de
descarga na terra sem causar sobre-tensões perigosas. O arranjo e as dimensões do
subsistema de aterramento são mais importantes que o próprio valor da resistência de
aterramento cujo valor recomendado para eletrodos não naturais é da ordem de 10 Ω.
Os eletrodos de aterramento podem ser do tipo:
• hastes verticais;
• condutores em anel;
• condutores horizontais radiais;
• aterramento natural pelas fundações (em geral armaduras de aço).
No caso de eletrodos não naturais devem ser instalados vários eletrodos
adequadamente distribuídos. O comprimento total dos eletrodos de aterramento varia
conforme o nível de proteção e a resistividade do solo.
Eletrodos de aterramento profundos são adequados para solos em que a
resistividade diminua com a profundidade.
Os eletrodos de aterramento naturais normalmente são as armaduras de aço das
estacas, dos blocos de fundação e das vigas. Todas devem ser firmemente amarradas com
arame recozido ou soldadas em cerca de 50% de seus cruzamentos. Em fundações de
alvenaria pode servir como eletrodo de aterramento, pela fundação, uma barra de aço da
construção, ou uma fita de aço, formando um anel em todo o perímetro da estrutura.
Arranjos composto de eletrodos radiais são indicados para solos com baixa
resistividade ( até 100 Ω.m ) e para pequenas estruturas ( com perímetro até 25 m).
Arranjo composto de eletrodos em anel ou embutidos nas fundações da estrutura é
obrigatório nas estruturas de perímetro superior a 25 m.
Os eletrodos de aterramento não naturais devem ser instalados externamente ao
volume a proteger, a uma distância da ordem de 1m das fundações da estrutura.
No caso de condutores em anel, os condutores horizontais radiais devem ser
instalados a uma profundidade mínima de 0,5 m.
Hastes verticais em paralelo devem ser espaçadas entre si por uma distância não
inferior ao seu comprimento.
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No projeto e execução do subsistema de aterramento, deve-se considerar que a
interligação de metais diferentes sem precauções adequadas, pode causar problemas graves
de corrosão eletrolítica.
4.2 – MÉTODO DE NÍVEL DE PROTEÇÃO
Primeiramente, deve-se verificar se uma edificação necessita de SPDA ou não.
Em muitos casos a necessidade é evidente, por exemplo:
• Locais de grande afluência de público;
• Locais que prestam serviços públicos essenciais;
• Áreas com alta densidade de descargas atmosféricas;
• Estruturas isoladas, ou com altura superior a 25 m;
• Estruturas de valor histórico ou cultural.
A seguir, será apresentado um método para determinar se um SPDA é, ou não
exigido, e qual o nível de proteção aplicável. Para isso alguns fatores não podem ser
avaliados e podem sobrepujar todas as demais considerações. Por exemplo, o fato de que
não deve haver qualquer risco de vida evitável, ou de que os ocupantes de uma estrutura
devem se sentir sempre seguros, pode determinar a necessidade de um SPDA, mesmo nos
casos em que a proteção seria normalmente dispensável. Nestas circunstâncias, deve
recomendar-se uma avaliação que considere o risco de exposição (isto é, o risco de a
estrutura ser atingida pelo raio), e ainda os seguintes fatores:
• O tipo de ocupação da estrutura;
• A natureza de sua construção;
• O valor de seu conteúdo, ou os efeitos indiretos;
• A localização da estrutura;
• A altura da estrutura.
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4.3 – AVALIAÇÃO DO RISCO DE EXPOSIÇÃO
A probabilidade de uma estrutura ser atingida ou um raio em um ano é o produto
da densidade de descargas atmosféricas para a terra pela área de exposição equivalente da
estrutura.
A densidade de descargas atmosféricas para a terra (Ng) é o número de raios para
a terra por quilômetros quadrados por ano. O valor de (Ng) para uma dada região pode ser
estimado pela equação:
25,104,0 TdNg ∗= [por km²/ano]
Onde Td é o número de dias de trovoadas por ano, obtido de mapas isocerâunicos.
Como exemplo de mapa isocerâunico, tem-se o mapa da figura a seguir fornecida
pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, INPE:
Figura 4.3: Mapa isocerâunico do Brasil.
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Como o mapa da figura anterior não revela dados regionais mais precisos, tem-se
o mapa isocerâunico dos estados de Goiás e Distrito Federal a seguir:
Figura 4.4: Mapa isocerâunico dos estados de Goiás e Distrito Federal.
A área de exposição equivalente (Ae) é a área, em metros quadrados, do plano da
estrutura prolongada em todas as direções, de modo a levar em conta sua altura. Os limites
da área de exposição equivalente estão afastados do perímetro da estrutura por uma
distância correspondente à altura da estrutura no ponto considerado. Assim, para uma
estrutura retangular simples de comprimento L, largura W e altura H, a área de exposição
equivalente tem um comprimento L+2H e uma largura W+2H, com quatro cantos
arredondados formados por segmentos de círculo de raio H, em metros. Então, conforme a
figura abaixo, temos:
222 HWHLHLWAe π+++= [m²]
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Figura 4.4: Delimitação da área de exposição equivalente (Ae) – Estrutura vista de Planta.
A freqüência média anual previsível Nd de descargas atmosféricas sobre uma
estrutura é dada por:
610−∗∗= AeNgNd [por ano]
Para a freqüência média anual admissível de danos Nc, valem os seguintes limites,
reconhecidos internacionalmente:
• Riscos maiores que 10-3 (isto é, 1 em 1000) por ano são consideráveis
inaceitáveis;
• Riscos menores que 10-5 (isto é, 1 em 100.000) por ano são, em geral,
considerados aceitáveis.
4.4 – AVALIAÇÃO GERAL DE RISCO
Depois de determinado o valor de Nd, que é o número provável de raios que
anualmente atingem uma estrutura, o passo seguinte é a aplicação dos fatores de
ponderação indicados nas tabelas de 4.1 a 4.5. Multiplica-se o valor de Nd pelos fatores
pertinentes e se compara o resultado com a freqüência admissível de danos Nc, conforme o
seguinte critério:
• Se Nc ≥ 10-3, a estrutura requer SPDA;
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• Se 10-3 > Nc > 10-5, a conveniência de um SPDA deve ser decidida por
acordo entre projetista e usuário;
• Se Nc ≤ 10-5, a estrutura dispensa um SPDA.
Os fatores de ponderação denotam a importância relativa do risco em cada caso.
Na tabela 4.1, o termo “efeitos indiretos” refere-se não apenas aos danos materiais sobre a
estrutura, mas também à interrupção de serviços essenciais de qualquer natureza,
principalmente em hospitais. Para estruturas destinadas a atividades múltiplas, deve ser
aplicado o fator de ponderação A correspondente ao caso mais severo.
Tipos de ocupação Fator A Casas e outras estruturas de porte equivalente 0,3 Casas e outras estruturas de porte equivalente com antena externa 0,7 Fábricas, oficinas e laboratórios. 1,0 Edifícios de escritórios, hotéis e apartamentos, e outros edifícios residenciais não incluídos abaixo
1,2
Locais de afluência de público (por exemplo: igrejas, pavilhões, teatros, museus, exposições, lojas de departamento, correios, estações e aeroportos, estádios de esportes)
1,3
Escolas, hospitais, creches e outras instituições, estruturas de múltiplas atividades
1,7
Tabela 4.1: Fator de ponderação A, em função do tipo de ocupação [1].
Material de construção Fator B Estrutura de aço revestida, com cobertura não-metálica 0,2 Estrutura de concreto armado, com cobertura não-metálica 0,4 Estrutura de aço revestida, ou de concreto armado, com cobertura metálica 0,8 Estrutura de alvenaria ou concreto simples, com qualquer cobertura, exceto metálica ou de palha
1,0
Estrutura de madeira, ou revestida de madeira, com qualquer cobertura, exceto metálica ou de palha
1,4
Estrutura de madeira, alvenaria ou concreto simples, com cobertura metálica 1,7 Qualquer estrutura com teto de palha 2,0
Tabela 4.2: Fator B, em função do material da construção e da cobertura [1].
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Conteúdo da Estrutura ou Efeitos Indiretos Fator C Residências comuns, edifícios de escritórios, fábricas e oficinas que não contenham objetos de valor ou particularmente suscetíveis a danos
0,3
Estruturas industriais e agrícolas contendo objetos particularmente suscetíveis a danos
0,8
Subestações de energia elétrica, usinas de gás, centrais telefônicas, estações de rádio
1,0
Indústrias estratégicas, monumentos antigos e prédios históricos, museus, galerias de arte e outras estruturas com objetos de valor especial
1,3
Escolas, hospitais, creches e outras instituições, locais de afluência de público 1,7 Tabela 4.3: Fator de ponderação C, em função do conteúdo [1].
Localização Fator D Estrutura localizadas em uma grande área contendo estruturas ou árvores da mesma altura ou mais altas (por exemplo: em grandes cidades ou em florestas)
0,4
Estrutura localizada em uma área contendo poucas estruturas ou árvores de altura similar
1,0
Estrutura completamente isolada, ou que ultrapassa, no mínimo, duas vezes a altura de estruturas, ou árvores próximas
2,0
Tabela 4.4: Fator de ponderação D, em função da Localização [1].
Topografia Fator E Planície 0,3 Elevações moderadas, colinas 1,0 Montanhas entre 300 e 900 m 1,3 Montanhas acima de 900 m 1,7
Tabela 4.5: Fator de ponderação E, em função da Topografia [1].
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5 – FORMAS DE ELABORAÇÃO
5.1 – SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
O SPDA (sistema de proteção contra descargas atmosféricas) é um sistema
completo destinado a proteger uma construção ou estrutura contra os efeitos das descargas
atmosféricas. Tradicionalmente tem sido designado por pára-raios.
O SPDA é formado de:
Captação:
• Têm como função receber as descargas que incidam sobre o topo da
edificação e distribuí-las pelas descidas;
• É composta por elementos metálicos, normalmente mastros ou condutores
metálicos devidamente dimensionados.
Descidas:
• Recebem as correntes distribuídas pela captação encaminhando-as o mais
rapidamente para o solo. Para edificações com altura superior a 20 metros
têm também a função de receber descargas laterais, assumindo neste caso
também a função de captação devendo os condutores ser corretamente
dimensionados para tal;
• No nível do solo as descidas deverão ser interligadas com cabo de cobre nu
com seção de 50 mm2 (no mínimo).
Anéis de Cintamento:
• Os anéis de cintamento assumem duas importantes funções;
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• A primeira é equalizar os potenciais das descidas minimizando assim o
campo elétrico dentro da edificação;
• A segunda é receber descargas laterais e distribuí-las pelas descidas. Neste
caso também deverão ser dimensionadas como captação;
• Sua instalação deverá ser executada a cada 20 metros de altura interligando
todas as descidas.
Aterramento:
• Recebe as correntes elétricas das descidas e as dissipam no solo;
• Tem também a função de equalizar os potenciais das descidas e os
potenciais no solo, devendo haver preocupação com locais de freqüência de
pessoas, minimizando as tensões de passo nestes locais.
• Para um bom dimensionamento da malha de aterramento é imprescindível a
execução de uma prospecção da resistividade de solo previamente.
Equalização de potenciais internos:
• A equalização dos potenciais de todas as estruturas e massas metálicas que
poderão provocar acidentes pessoais, faiscamentos ou explosões;
• No nível do solo e dos anéis de cintamento (cada 20 metros de altura),
deverão ser equalizados os aterramentos de aparelhos eletrônicos, de
elevadores (inclusive trilhos metálicos), tubulações metálicas de incêndio,
gás (inclusive o piso da casa de gás), água fria, água quente, recalque, etc.
• Para tal deverá ser definido, uma posição estratégica para instalação de uma
caixa de equalização de potenciais que deverá ser interligada à malha de
aterramento e interligando as diferentes prumadas metálicas já
mencionadas. Para prédios as diversas LEP’s, ligações equipotenciais
principais, devem ser interligadas através de uma prumada específica de
cabo de cobre com seção de 16 mm2;
• A ligação da caixa de equalização bem como as tubulações metálicas
poderão ser executadas com cabo de cobre de seção 16 mm2 antes da
execução do contra piso dos apartamentos localizados nos níveis dos anéis
de cintamento. A amarração das diferentes tubulações metálicas poderá ser
executada por fita perfurada estanhada (bimetálica) que possibilita a
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conexão com diferentes tipos de metais e diâmetros variados, diminuindo
também a indutância do condutor devido á sua superfície chata.
5.2 – NÍVEIS DE PROTEÇÃO
A NBR – 5410/2001 define quatro níveis de proteção, que podem ser relacionadas
resumidamente com as estruturas como descriminado a seguir:
Nível I: destinado às estruturas nas quais uma falha do sistema de proteção pode
causar danos às estruturas vizinhas ou ao meio ambiente. Como exemplo se tem depósitos
de explosivos, fábricas ou depósitos de produtos tóxicos ou radioativos, industrias com
áreas classificadas.
Nível II: destinados às estruturas cujos danos em caso de falha serão elevados ou
haverá destruição de bens insubstituíveis e/ou de valor histórico, mas, em qualquer caso, se
restringirão à própria estrutura e seu conteúdo; incluem-se também aqueles casos de
estruturas com grande aglomeração de público, havendo, portanto risco de pânico. Como
exemplo, museus, ginásios esportivos, etc.
Nível III: destinado às estruturas de uso comum, como residências, escritórios,
fábricas (que não sejam em áreas classificadas) e outras.
Nível IV: destinado às estruturas construídas de material não inflamável, com
pouco acesso de pessoas, e com conteúdo não inflamável. Como exemplo, depósito de
concreto armado, alvenaria ou estrutura metálica de produtos agrícolas não inflamáveis.
5.3 – SISTEMA DE PROTEÇÃO – MÉTODO DE FRANKLIN
É composto por um ou mais captores de quatro pontas, montado sobre mastro cuja
altura deve ser calculada conforme as dimensões da edificação, podendo haver vários em
um sistema de pára-raios.
Este método é baseado na proposta inicial de Franklin e tendo várias propostas de
alteração quanto ao ângulo de proteção.
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A sua abrangência de proteção é formada pelo cone formado em torno do eixo
vertical de um triangulo retângulo com a hipotenusa, mostrado na figura a seguir:
Figura 5.1: Cone de proteção pelo método de Franklin.
O ângulo de proteção, de acordo com o nível de segurança, é mostrado na tabela a
seguir:
Altura da estrutura a ser protegida Nível de
proteção 0 a 20 m 21 a 30 m 31 a 45 m 46 a 60 m I 25° Não se aplica Não se aplica Não se aplica II 35° 25° Não se aplica Não se aplica III 45° 35º 25° Não se aplica IV 55° 45° 35° 25°
Tabela 5.1: Ângulo de proteção do método de Franklin.
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5.4 – SISTEMA DE PROTEÇÃO – MÉTODO ELETROGEOMÉTRICO OU ESFERA ROLANTE
É baseado em estudos feitos a partir de registros fotográficos, da medição dos
parâmetros dos raios, dos ensaios em laboratórios de alta tensão, do emprego das técnicas
de simulação e modelagem matemática.
Surgiu inicialmente para as linhas de transmissão e foi depois simplificado para
aplicação às estruturas.
No modelo eletrogeométrico, supõe-se que o líder descendente caminha na direção
vertical em direção a terra em degraus dentro de uma esfera cujo raio depende da carga da
nuvem ou da corrente do raio e será desviado de uma trajetória por algum objeto aterrado.
A descarga se dará no ponto em que a esfera tocar esse objeto ou na terra, aquele
que ocorrer primeiro.
O raio da esfera é denominado distância de atração ou distância de disrupção.
Para aplicação às estruturas são admitidas algumas hipóteses simplificadoras
relacionadas a seguir:
• Somente são consideradas as descargas negativas iniciadas nas nuvens;
• O líder descendente é vertical e sem ramificações;
• As descargas se dão em uma esfera de raio igual à distância de atração;
• A descarga final se dá para o objeto aterrado mais próximo, independente de
sua massa ou condições de aterramento;
• As hastes verticais e os condutores horizontais têm o mesmo poder de
atração;
• A probabilidade de ser atingida a terra ou uma estrutura aterrada é a mesma.
Embora essas hipóteses se afastem um pouco da realidade, o modelo continua
válido se seguidos às orientações da norma.
A NBR 5419/2001 fixa os seguintes valores para os raios de atração em
correspondência aos níveis de proteção:
Nível de Proteção I II III IV
Raio da esfera (m) 20 30 45 60 Tabela 5.2: Raio de proteção do Modelo Eletrogeométrico.
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A figura a seguir mostra um exemplo de aplicação do modelo eletrogeométrico:
Figura 5.2: Exemplo do modelo da esfera rolante.
Figura 5.3: Zoom da captação.
5.5 – SISTEMA DE PROTEÇÃO – MÉTODO DA GAIOLA DE FARADAY
Este método é o mais usado na Europa, é baseado na teoria de Faraday, segundo a
qual o campo no interior de uma gaiola é nulo, mesmo quando passa por seus condutores
uma corrente de valor elevado.
Para que o campo seja nulo, na verdade, é preciso que a corrente se distribua
uniformemente por toda a superfície. O campo será nulo, na realidade, no centro da gaiola,
mas nas proximidades dos condutores haverá sempre um campo que poderá dar tensões
induzidas em condutores das instalações elétricas que estejam paralelos aos condutores da
malha.
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A proteção máxima no caso do método de Faraday é obtida quando a estrutura é
envolvida por uma caixa metálica de paredes soldadas e de espessura suficiente para
suportar o efeito térmico do raio no ponto de impacto.
Como esta solução raramente pode ser adotada, o método de Faraday consiste em
instalar um sistema de captores formado por condutores horizontais interligados em forma
de malha.
A distancia entre os condutores ou a abertura da malha está relacionada com o nível
de proteção desejado. Quanto menor à distância entre os condutores da malha, melhor será
a proteção obtida.
A NBR 5419/2001 fixas as dimensões básicas da malha para cada nível de
segurança, mostrado na tabela a seguir:
Nível de proteção Largura máxima da malha (m) Comprimento da malha (m)
I 5 < 10
II 10 < 20
III 10 < 20
IV 20 < 40 Tabela 5.3: Dimensões da malha de proteção pelo Método de Faraday.
A figura a seguir mostra um sistema de proteção de acordo com a norma:
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Figura 5.4: Sistema de proteção completo.
5.6 – CAPTORES RADIOATIVOS
A fabricação de pára-raios radioativos no Brasil foi autorizada de 1970 até 1989,
porque a literatura técnica da época indicava que os captores radioativos tinham uma
eficiência maior que os convencionais. Porém, novos estudos no Brasil e no exterior,
demonstraram que o desempenho dos pára-raios radioativos não era superior aos
convencionais na proteção dos edifícios, não se justificando, assim, o uso de fontes
radioativas.
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Em 1989, a Comissão Nacional de Energia Nuclear, CNEN, através da Resolução
nº 4/89, em anexo, suspendeu a autorização para a fabricação e instalação deste tipo de
captor.
Contudo, a decisão da CNEN só teve efeito sobre a fabricação e a instalação de
dispositivos novos. A decisão sobre a substituição dos pára-raios já instalados dependia das
autoridades municipais competentes para expedir as normas de edificação em cada cidade.
Na cidade do Rio de Janeiro, por exemplo, a Prefeitura, por meio do Decreto
Municipal nº 16.204, determinou que todos os pára-raios radioativos sejam substituídos e
que os sistemas de proteção contra as descargas atmosféricas fossem adequados à norma
NBR-5419 da Associação Brasileira de Normas Técnicas. Quando substituído, um pára-
raios radioativo passa a ser rejeito radioativo e deve ser enviado à CNEN. Embora o risco
de irradiação seja pequeno, há o risco de contaminação por contato, sendo necessário
seguir corretamente as instruções fornecidas pelo Instituto de Engenharia Nuclear, IEN.
Este material emite partículas alfa e radiação gama de baixa energia, com curto alcance no
ar.
A substituição é responsabilidade do proprietário da edificação e essa deve ser
preferencialmente feita por um profissional experiente, porque, em geral, os pára-raios
estão em locais de difícil acesso e há riscos de queda. Além disso, para que o prédio fique
adequadamente protegido contra raios, é necessário verificar se o aterramento da instalação
está adequado e se o número de captores é suficiente para o tamanho e a altura do prédio.
O ideal é contratar uma empresa especializada em instalações elétricas. Os cuidados
que devem ser tomados em relação à radiação e à contaminação estão descritos a seguir,
fornecido pelo IEN. Há instruções sobre como fazer a embalagem, o transporte e a entrega
do material à CNEN.
As fontes radioativas têm a forma de fitas metálicas fixadas nos discos e poucos
centímetros de comprimento por 1 a 2 cm de largura. O material radioativo dessas fontes é,
em sua maioria, o radionuclídeo amerício-241.
A proibição da utilização dos pára-raios radioativos, de acordo com a resolução do
CNEN 04/89, segue os argumentos e os cuidados com a retirada e envio dos captores
radioativos:
• A maior eficácia de Pára-raios Radioativos em relação aos convencionais
não está tecnicamente comprovada, contrariando assim o princípio da
justificação, qual seja: “Qualquer atividade envolvendo radiação ou
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exposição deve ser justificada em relação a outras alternativas a produzir
um benefício líquido positivo para a sociedade”;
• Pára-raios radioativos em bom estado de conservação podem permanecer
instalados, sob o ponto de vista de radioproteção, até que venham a ser
substituídos por dispositivos convencionais;
• Os pára-raios radioativos não oferecem risco de radiação externa para
pessoas, uma vez que contém pequenas quantidades de material radioativo
afixado aos mesmos;
• No caso de desativação de tais dispositivos e com o objetivo de evitar a
dispersão de radioisótopos no meio ambiente, os mesmos devem ser
entregues à CNEN.
O manuseio e acondicionamento de pára-raios radioativos:
• Utilizar, conforme apropriado, uma ou mais embalagens metálicas robustas
com capacidade mínima de 38 litros e com sistema de fechamento que
garanta a vedação da embalagem durante todo o transporte;
• Ter disponíveis luvas, saco plástico, fita adesiva, um rótulo com os dizeres
“Material Radioativo”, material absorvedor de choque (isopor fragmentado
ou jornal, por exemplo);
• Colocar, uniformemente, uma camada de material absorvedor de choque no
fundo da embalagem;
• Colocar o saco plástico no interior da embalagem;
• Abrir o saco plástico e utilizar a parte superior do mesmo (em excesso) para
revestir as bordas da embalagem;
• Calçar as luvas;
• Colocar a haste do pára-raios no interior da embalagem;
• Retirar as luvas do seguinte modo:
o Descalçar parcialmente os dedos de ambas as mãos;
o Retirar uma luva e colocá-la no interior do saco plástico;
o Introduzir dois dedos da mão descalçada entre a luva e a pele da mão
calçada;
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o Deslocar com os dedos a luva, até que haja condições de removê-la
totalmente. (Nunca colocar a mão sem luva em contato com a parte
externa de uma luva que manipulou material radioativo);
o Segurar a luva pela parte interna e colocá-la no interior do saco
plástico;
• Retirar a parte superior do saco colocada sobre as bordas da embalagem e
fechar o mesmo utilizando fita para amarrá-lo;
• Manter o dispositivo, contido no saco, no centro da embalagem e preencher
os espaços vazios com o material absorvedor de choque (o material
absorvedor de choque deverá também ser distribuído no espaço entre a
tampa da embalagem e a parte superior do saco fechado);
• Afixar o rótulo com os dizeres "Material Radioativo" no interior do
embalado em local visível quando da abertura do mesmo;
• Fechar o embalado.
Os documentos que acompanham o transporte de embalado contendo pára-raios
radioativos são:
• Certificado de Aprovação especial para Embalado e Transporte de pára-
raios contendo Am-241;
• Declaração de Expedidor do Material Radioativo;
• Ficha de Emergência;
• Envelope de transporte.
Completar o preenchimento dos documentos de transporte em anexo com os dados
pertinentes à instituição;
O embalado selecionado para o transporte de pára-raios é o exceptivo, não
requerendo sinalização externa específica e pode ser realizado por qualquer meio de
transporte (exceto correios).
Enviar para CNEN, o comprovante de depósito bancário, referente ao número de
captores a serem entregues.
Bater o protocolo de entrega em 02 (duas) vias:
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• 1A Via cliente;
• 2A Via CNEN.
Ligar para a divisão de radioproteção e marcar hora e entrega do(s) captor(es).
Levar envelope de transporte contendo:
• Ficha de emergência;
• Certificado de Aprovação especial para Embalado e Transporte de pára-
raios contendo Am-241;
• Declaração de Expedidor do Material Radioativo.
Entregar na CNEN o certificado para despacho e declaração do expedidor (ambos
assinados).
Pegar recibo comprovando a entrega do(s) captor(es) e as cópias dos protocolos
(ambas assinadas).
Marcar dia e horário para apanhar os tambores.
As figuras a seguir são exemplos de captores radioativos:
Figura 5.5: Captor radioativo (1).
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Figura 5.6: Captor radioativo (2).
Figura 5.7: Captor radioativo (3).
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6 – ANÁLISE DE EDIFICAÇÕES
Foram avaliados os sistemas de proteção do edifício do IDA – Complexo de
Artes, do SG – 11 e da Faculdade de Tecnologia – FT.
Figura 6.1: Localização no Campus.
Na Faculdade de Tecnologia, o estudo foi realizado no pára-raios que está
localizado sobre o departamento de engenharia mecânica. A estrutura de suporte do pára-
raios consiste numa torre de 20 metros de altura. A altura total do sistema é de 28 metros a
partir do chão do departamento referenciado.
Verificou-se através do método eletrogeométrico a área de proteção efetiva para
os níveis I e II que a estrutura analisada oferece.
A figura a seguir mostra a localização dos pára-raios:
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Figura 6.2: Localização dos pára-raios na FT.
Nas figuras a seguir são mostrados as respectivas áreas de proteção:
Figura 6.3: Área efetiva de proteção na FT (1).
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Figura 6.4: Área efetiva de proteção na FT (2).
Com esta análise, verifica-se a ineficácia da proteção para o prédio da Faculdade
de Tecnologia.
Foram feitas medidas da resistência no ponto de aterramento do pára-raio que
revelou mais ainda a ineficiência da proteção. Usando um terrômetro analógico e um
digital, encontraram-se os seguintes valores:
• Terrômetro analógico: 24 Ω
• Terrômetro digital: 33 Ω
Estes valores são altos para um sistema eficiente de proteção, e foram feitos em
época de chuva, ou seja, estes valores ficam ainda piores na época seca, pois a umidade do
solo abaixa a resistência da terra.
Foram realizadas medições no IDA, Instituto de Artes, pois apesar de ser o
edifício mais novo no campus, não possui sistema de SPDA implantado.
As medições foram realizadas nos seguintes pontos indicados na figura abaixo:
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Figura 6.5: Localização do IDA
Foi utilizado como referência de aterramento os pilares da própria estrutura de
aço, já que o edifício não possui SPDA implementado.
Foram realizadas medições nos pontos 1, 2 e 3. No ponto 1 os valores encontrados
para a resistência foram:
• Terrômetro analógico: 28 Ω
• Terrômetro digital: 35 Ω
Nos pontos 2 e 3 não foi possível realizar as medições de resistência ôhmica, pois
havia muito ruído no terreno. Esse ruído se deve pela presença de circuitos subterrâneos de
alimentação de iluminação pública que atravessam as proximidades, acusando o aparelho
uma tensão entre as hastes de medição da ordem de 70 volts.
No SG – 11 foi verificado a existência de um sistema já implementado de
aterramento em malha e seu sistema de proteção contra raios. Foram realizadas medições
no terreno e a resistência média colhida foi da ordem de 0,13 Ω. Esse valor é considerado
pela Norma como excepcional.
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7 – MODELO IMPLEMENTADO
Para a análise do solo, tendo em vista que o equipamento para essa análise não
chegou em tempo hábil, foi conseguido com o professor Carlos Tadeu, do departamento de
Geologia da UnB, dados de medições da resistividade de alguns pontos da UnB.
Os locais da realização destas medidas foram o terreno entre o prédio da
Sismologia e a L3 Norte e o terreno perto das piscinas no Centro Olímpico da UnB.
Os dados colhidos no terreno entre o prédio da Sismologia e a L3 Norte estão
mostrados na tabela a seguir:
resistividade: ρ = 2 . π . a . R a (m) R (Ohm) ρ (Ohm.m)
1 38,9 244 1,5 32,1 302 2 29,2 367 3 21,2 399 4 18,2 457 6 18,4 693 8 18,55 932
12 14,6 1100 16 11,5 1156 24 9,075 1368 32 5,545 1114 48 5,05 1522
Tabela 7.1: Dados referentes ao cálculo da Resistividade perto do prédio da Sismologia.
Com estes dados, foi gerado um gráfico mostrando a variação da resistividade
com a distância, mostrado na figura a seguir:
UnB/FT/EnE
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100
1000
10000
1 10 100
a (m)
resi
stiv
idad
e (O
hm.m
)
Figura 7.1: Gráfico da resistividade no terreno próximo ao prédio de Sismologia.
Os dados colhidos no terreno perto das piscinas no Centro Olímpico da UnB estão
mostrados na tabela a seguir:
resistividade: ρ = 2 . π . a . R a (m) R (Ohm) ρ (Ohm.m)
1 162 1017 1,5 123 1159 2 86,5 1086 3 43,7 823 4 25,1 631 6 12,9 486 8 8,6 432 12 7,29 549 16 6,915 695 24 7,615 1148 32 7,79 1565 48 4,545 1370
Tabela 7.2: Dados referentes ao cálculo da Resistividade perto das piscinas do CO.
Foi gerado um gráfico mostrando a variação da resistividade com a distância,
mostrado na figura a seguir:
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100
1000
10000
1 10 100
a (m)
resi
stiv
idad
e (O
hm.m
)
Figura 7.2: Gráfico da resistividade no terreno perto das piscinas no CO.
Como se verifica nos dois gráficos, as duas curvas são muito diferentes, fato este
podendo ser explicado por terem sido feitas em épocas distintas do ano. Podem ter sido
feitas uma na estação chuvosa e a outra na estação de seca. Assim, isso demonstra que não
se pode levar em consideração, para efeito de dimensionamento das hastes de aterramento,
dados colhidos em locais próximos ao local de estudo.
A seguir, como exemplo, o Memorial Descritivo e Especificações do Sistema de
Proteção contra Descargas Atmosféricas SPDA da Facce (o projeto encontra-se em anexo):
A execução das instalações componentes do SPDA será feita de acordo com o
projeto específico em obediência à norma NBR 5419/ABNT que rege o assunto.
O sistema de proteção projetado é baseado no método dos condutores em malha
ou gaiola (método Faraday) e seus componentes estão abaixo descritos.
Componentes do SPDA
Captação
• Os elementos metálicos de sustentação da cobertura (treliças, terças,
caibros, etc.), bem como o próprio telhado metálico, atuarão no sistema
como elementos de captação. Para assegurar a continuidade elétrica, em
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cada um dos 4 blocos de edificação (A, B, C e D) tais elementos deverão
estar rigidamente interligados; a ligação deve ser assegurada, também,
entre os elementos de cobertura de tais blocos vizinhos, mesmo que haja
necessidade de conectá-los em vários pontos (no máximo 4 –quatro)
através de uma cordoalha de cobre nu de 50 mm², soldando-se nas 2
extremidades às partes metálicas de cada bloco e deixando-se uma folga de
20 cm para compensar eventuais deslocamentos em conseqüência de
dilatação térmica. O elemento utilizado para a conexão será um cordão de
solda exotérmica.
Condutores de Descida
• Em cada pilar, nos pontos de descida indicados em planta por setas
descendentes será embutida antes da concretagem uma cordoalha de cobre
nu de 16 mm², aflorando 0,50 m na extremidade superior (para ligação à
estrutura metálica da cobertura) e 1,50 m na extremidade inferior (para
ligação anel de aterramento).
• Haverá, nos 4 blocos um total de 73 (setenta e três) descidas.
Condutores de Aterramento
• Haverá um anel circundante em cada um dos 4 blocos e todos os anéis
serão interligados, conforme mostrado em planta. Os condutores de
aterramento serão cordoalhas de cobre nu de 50 mm², instalados a 1,00 m
das fundações estruturais.
• Nos pontos indicados em planta, ao longo da malha de aterramento, serão
fincados eletrodos verticais constituídos por hastes com núcleo de aço e
cobertura de cobre (hastes Copperweld) de ø 5/g”x3,00 m, no total de 36
(trinta e seis).
• A profundidade dos anéis de aterramento será de 0,50 m.
• Para acesso ao sistema de aterramento haverá caixas subterrâneas (CA)
com tampas amovíveis, de 250 x 250 x 600 mm, conforme detalhamento
feito em planta. Estão previstas 49 (cinqüenta e nove) dessas caixas. Em
todas elas haverá uma cordoalha de cobre nu de 25 mm² interligando as
ferragens das fundações (vigas baldrames) à malha de aterramento.
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Outros Componentes do Sistema
• Próximo a cada Quadro de Distribuição (QD) haverá um Quadro de
Aterramento (QA), com um barramento de LEP (ligação equipotencial
principal), cujas dimensões e ligações estão indicadas em planta de
detalhes. A bitola dos condutores de equipotencialidade a serem ligadas à
barra de terra de cada QD é de 16 mm² (condutores com isolação
termoplástica de PVC de cor verde). Ao QDG (Quadro de Distribuição
Geral), a ser instalado no bloco B, a bitola desses condutores será de 4x35
mm² . Total de QA: 10 (dez).
• No topo do castelo-d’água será montado um pára-raio Franklin de 2,9 m
de altura, com 2 descidas externas, diametralmente opostas, de bitola
25 mm² , protegidas até a altura de 2,5 m acima do solo por um tubo de
PVC rígido de 50 mm de diâmetro. Estas descidas serão ligadas a um anel
de aterramento a 1,00 m da estrutura do castelo, constituído por uma
cordoalha de cobre nu de 50 mm². Esta ligação será feita em caixas de
aterramento (CA) referidas no item 3.3.
• As malhas de aterramento do castelo-d’água e dos blocos A, B, C e D
serão interligadas por cordoalhas de cobre nu de 50mm²; os pontos de
conexão serão localizados em caixas de aterramento CA.
• Em cada descida externa do pára-raios do castelo-d’água haverá uma caixa
de inspeção com conector de medição, desmontável por meio de
ferramenta. Esta caixa será dotada de tampa aparafusada, montada a 1,30
m de altura do solo (ver detalhe em planta).
• Serão instalados protetores contra descargas atmosféricas (proteção de 1°
nível) e protetores contra surtos de tensão (proteção de 2° nível) nos
seguintes locais:
Na entrada, QD/Bombas (casa de bombas do castelo d’água),
QDG (bloco B) e QGBT (quadro geral de Baixa Tensão, na
subestação transformadora) – protetor contra descargas
atmosféricas de 60 kVA, nível de proteção ≤ 4 kV (referência
FLASHTRAB PLT 60-400/341, fabricante Phoenix Contact ou
similar) no total de 4 (quatro) medidores (entre as 3 fases e o terra
e entre o neutro e o terra).
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Na entrada dos QD-20 e QD-21 (laboratório de Informática) –
protetor contra surtos de 20 kVA, nível de proteção ≤ 0,9 kV
(referência VALVETRAB VAL-MS 230 VF/341, fabricante
Phoenix Contact ou similar, no total de 4 unidades (entre as 3 fases
e o terra e entre o neutro e o terra).
No topo do castelo-d’água, junto à haste da luz de obstáculos, para
proteção dos condutores vivos – protetor contra surtos de 20kVA,
nível de proteção ≤ 0,9 kV (referência VALVETRAB VAL-MS
230 VF, fabricante Phoenix Contact ou similar), monocanal, a ser
instalado entre a fase e o terra.
Prescrições Complementares
• A tubulação metálica de incêndio será conectada à malha de aterramento
junto ao castelo-d’água (de onde vai) e no ponto mais próximo de sua
entrada no perímetro das edificações (blocos A, B, C e D).
• Também serão aterrados, através de conexão ao condutor de
equipotencialidade ou barra de aterramento, os seguintes componentes:
Rede de eletrocalhas e perfilados metálicos dos circuitos elétricos
internos das edificações.
Rede de eletrocalhas do sistema de cabeamento estruturado.
Carcaças dos aparelhos de ar condicionado central e de janela.
Carcaças das bombas d’água
Partes metálicas dos quadros de distribuição (QD), quadros de
aterramento (QA), racks, etc.
• As barras de neutro e de terra serão conectadas apenas no QGBT
(subestação) QDG (bloco B, térreo).
• O sistema de aterramento das instalações telefônicas será interligado ao
sistema de aterramento das instalações elétricas e SPDA por uma
cordoalha de cobre nu de 50 mm² em uma caixa de aterramento CA
visitável.
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8 – CONCLUSÕES
Conclui-se desse trabalho que o sistema de proteção contra descargas atmosféricas
é um elemento fundamental na segurança de edificações e indispensável sua correta
implementação e manutenção.
O que foi visto no levantamento da maioria dos sistemas de aterramento dentro do
campus da UnB é lastimável:
• Ausência das caixas de inspeção na malha de aterramento evitando assim a
manutenção periódica do sistema;
• Cabos de descida de pára-raios soltos e à mostra sem a devida proteção
prevista em norma;
• Fios de aterramento de computadores soltos ou rompidos, muitas vezes
remendados e expostos ao tempo, em locais de grande risco de choque
mecânico provocando a sua ruptura;
• Presença de pára-raios do tipo radioativo ainda instalados em edifícios da
universidade, tendo em vista sua proibição desde 1989;
• Ausência de SPDA em edificações novas como o IDA, Instituto de Artes;
• O mau dimensionamento dos sistemas de SPDA e malhas de aterramento
das edificações do campus salvo exceções como o SG – 11;
• A não equalização dos sistemas de aterramento dentro de uma mesma
edificação gerando uma considerável diferença de potencial entre dois
pontos de terra distintos;
Fica importante ressaltar que esses pontos negativos foram observados mais de
uma vez em uma mesma edificação evidenciando ainda mais a necessidade de se tomar as
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devidas providências. Segue-se em anexo, fotos da pesquisa de campo e dos problemas
encontrados nas instalações estudadas.
Algumas sugestões foram idealizadas pelos autores deste trabalho:
• A implementação de um SPDA misto utilizando o método
eletrogeométrico e a gaiola de Faraday na Faculdade de Tecnologia;
• A utilização da própria estrutura metálica do IDA e suas fundações como
captores e dispersores de descargas atmosféricas promovendo assim uma
economia de custo de hastes e captores, já que esses não seriam
necessários;
• A interligação das hastes de aterramento no ICC a fim de equalizar sua
malha de aterramento e melhorando a sua eficiência;
• Implementação de SPDA no ICC pelo método da gaiola de Faraday,
devido a suas dimensões horizontais;
Este projeto teve como grande aliado, o projeto conjunto com a Ceplan na
realização do projeto de construção do novo prédio da Facce, tendo servido este, como
laboratório de pesquisa e experimentação.
Lamenta-se que o projeto não tenha seguido as diretrizes iniciais devido à
burocratização do processo de aquisição de equipamentos.
Ressalta-se, então, a grande oportunidade de enriquecimento de cunho prático e
teórico obtido durante as pesquisas e ensaios para execução deste trabalho. Deseja-se que
este projeto soe como referência para o meio técnico-profissional e meio acadêmico, em
futuras e complementares pesquisas e aprofundamentos daqueles que porventura se
interessem pelo assunto.
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9 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] ABNT: NBR 5419 (2001): Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas;
[2] ABNT: NBR 5410 (1997): Instalações elétricas de baixa tensão;
[3] Kindermann, Geraldo; Campagnolo, Jorge Mário. Aterramento Elétrico.
Florianópolis: Edição do autor; 5ª ed., 2002;
[4] Kindermann, Geraldo. Curto-circuito. Florianópolis, Edição do autor, 2ª ed., 2002;
[5] Kindermann, Geraldo. Descargas Atmosféricas. Florianópolis, Edição do autor, 3ª
ed., 2002;
[6] Kindermann, Geraldo. Choque Elétrico. Porto Alegre: Sagra DC Luzzatto, 22ª ed.,
2000;
[7] Mamede, João F. Instalações Elétricas Industriais. Rio de Janeiro: Editora LTC;
[8] Cotrim, Ademaro A. M. B. Instalações elétricas. São Paulo: Prentice Hall, 4ª ed.,
2003;
[9] Creder, H. Instalações Elétricas. Rio de Janeiro: Editora LTC, 12ª ed., 1991;
[10] Leite, D. M.; Leite, C. M. Proteção contra Descargas Atmosféricas. São Paulo:
MM editora, 1993;
[11] Tagg, G. F. Earth Resistances. London: George Newnes Limited, 1964;
[12] Sunde, E. D. Earth Condution Effects in Transmission Systems. New York: Dover
Publications, Inc, 1968;
[13] Miranda, A. P. R. Malhas de aterramento em solos estratificados. São Paulo:
Publicação interna, 1986;
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[14] Medeiros Fº, S. Fundamentos de Medidas Elétricas. Rio de Janeiro: Editora
Guanabara Dois, 1981;
[15] Gentil, V. Corrosão. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois, 1982.
[16] Plonus, Martin A. Applied Electromagnetics. Northwestern University: McGraw-
Hill, 1978.
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ANEXO
Resolução n. º 04
De 19 de Abril de 1989
Transcrição da resolução n. º 04, de 19.04.89, da comissão nacional de energia nuclear
- dou de 09.05.89
Controle do meio ambiente - Utilização de material radioativo em pára-raios -
Proibição
A Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN), usando das atribuições que
lhe confere o artigo 1º, Inciso I, da Lei n. º 6.189 de 16 de Dezembro de 1974, o artigo
141 do Decreto n. º 51.726, de 19 de Fevereiro de 1963, e o artigo 21, inciso I e V do
Decreto n. º 75.569, de 07 de Abril de 1975, por decisão de sua Comissão Deliberativa,
na 534 sessão realizada em 19 de Abril de 1989.
Considerando que o comércio de substâncias radioativas constitui monopólio da
União, instituído pela Lei nº 4.118, de 27 de agosto de 1962, artigo I, inciso II, In fine;
Considerando que esse monopólio é exercido pela CNEN na qualidade de órgão superior
de orientação, planejamento, supervisão e fiscalização;
Considerando que compete a CNEN baixar normas gerais sobre substâncias
radioativas;
Considerando que a CNEN cabe, ainda, registrar as pessoas que utilizam
substâncias radiativas, bem como receber e depositar rejeitos radioativos;
Considerando a proliferação do uso de substâncias radioativas em pára-raios;
Considerando que não está tecnicamente comprovada a maior eficácia de pára-raios
radioativos em relação aos convencionais e que, portanto o "princípio da justificação"
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previsto na Norma CNEN-NE-3.01 - "Diretrizes Básicas de Radioproteção" não está
demonstrado;
Considerando a necessidade de dar destino adequado ao material radioativos do
pára-raios desativados,
Resolve:
1 - Suspender, a partir da vigência desta Resolução, a concessão de autorização
para utilização de material radioativo em pára-raios.
2 - O material radioativo remanescente dos pára-raios desativados deve ser
imediatamente recolhido a CNEN.
3 - Esta Resolução entra em vigor na data de sua publicação.
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Norma Regulamentadora
22 de dezembro de 1997NR – 10
Objetivo
10.1. Esta Norma Regulamentadora - NR fixa as condições mínimas exigíveis para garantir
a segurança dos empregados que trabalham em instalações, em suas diversas etapas,
incluindo projeto, execução, operação, manutenção, reforma e ampliação e, ainda, a
segurança de usuários e terceiros.
Abrangência
10.1.1. As prestações aqui estabelecidas abrangem todos os que trabalham em eletricidade,
e qualquer das fases de geração, transmissão, distribuição e consumo de energia elétrica.
Exigência
10.1.2. Nas instalações e serviços em eletricidade, devem ser observadas no projeto,
execução, operação, manutenção, reforma e ampliação, as normas técnicas oficiais
estabelecidas pelos órgãos competentes e, na falta destas, as normas internacionais
vigentes.
10.2. Instalações
10.2.1. Proteção Contra o Risco de Contato
10.2.1.1. Todas as partes das instalações elétricas devem ser projetadas e executadas de
moda que seja possível prevenir, por meios seguros de choque elétrico e todos os outros
tipos de acidentes.
10.2.1.2. As partes de instalações elétricas a serem operadas, ajustadas ou examinadas,
devem ser dispostas de modo a permitir um espaço suficiente para trabalho seguro.
Aterramento
10.2.1.4. Toda instalação ou peça condutora que não faça parte dos círculos elétricos, mas
que, eventualmente, possa ficar sob tensão, deve ser aterrada, desde que esteja em
10.2.1.5. O aterramento das instalações elétricas deve ser executado, obedecido o disposto
no subitem 10.1.2.
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Chuveiros/Piscinas
10.2.1.7. As instalações elétricas que estejam em contato direto ou indireto com a água e
que possam permitir fuga de corrente devem ser projetadas e executadas, considerando-se
as prescrições previstas no subitem 10.1.2. em especial quanto à blindagem, estanqueidade,
isolamento e aterramento.
Circuito Aterrado
10.3.2.5.2. Para garantir a ausência de tensão no circuito elétrico, durante todo o tempo
necessário para o desenvolvimento destes serviços, os dispositivos de comando devem
estar sinalizados e bloqueados, bem com o circuito elétrico aterrado, considerando-se as
prescrições previstas no subitem 10.3.1.1.
Proteções contra surtos
10.2.2.2. As instalações elétricas sujeitas a maior risco de incêndio e explosão devem ser
projetadas e executadas com dispositivos automáticos de proteção contra sobrecorrente e
sobretensão, além de outras complementares, de acordo com as prescrições previstas no
subitem 10.1.2.
Acumulo de Energia
10.2.2.4. As partes das instalações elétricas sujeitas a acumulação de eletricidade estática
devem ser aterradas, seguindo-se as prescrições previstas no subitem 10.1.2.
Pára-raios
10.2.3.5. Todas as edificações devem ser protegidas contra descargas elétricas
atmosféricas, seguindo as prescrições do subitem 10.1.2. e, em especial, as prescrições
referentes à localização, condições de ligação à terra e zona de atuação dos pára-raios.
Laudo Técnico
10.3.2.7.1. Deve ser fornecido um laudo técnico ao final de trabalhos de execução, reforma
ou ampliação de instalações elétricas, elaborado por profissional devidamente qualificado e
que deverá ser apresentado, pela empresa, sempre que solicitado pelas autoridades
competentes.
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Responsabilidades
10.4.2. Responsabilidade
10.4.2.1. Todo responsável pelas instalações elétricas e os profissionais qualificados e
autorizados a trabalhar em instalações elétricas devem zelar pelo cumprimento desta
Norma Regulamentadora.
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Fotos das Irregularidades Encontradas
Ausência de caixas de inspeção e cabos rompidos.
Passagens de cabos por fora da estrutura, emendas mal feitas e cabos rompidos.
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Cabos passando pela calçada sem nenhuma proteção e emendas rompidas.
Conector solto da haste e descida do cabo do pára-raios sem a devida proteção.
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Todas as Curvas Isocerâunicas
ACRE
RIO BRANCO
LEGENDA
DIVISA DE ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO
60
6080
80
Acre
ALAGOAS
MACEIÓ
LEGENDADIVISA DO ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO
510
20
Alagoas
UnB/FT/EnE
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AMAPÁ
MACAPÁ
LEGENDA
NÍVEL CERÁUNICO
CAPITAL DO ESTADO
4060
80100
120
140
DIVISA DE ESTADO
Amapá
LEGENDADIVISA DE ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO
140140120
1008060 120
140
120100 8060
40
80
60
10080
AMAZONAS
MANAUS10080
40
100
60
Amazonas
UnB/FT/EnE
Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – 63 – 98/04960
201
0
30
406080
51
020
LEGENDA
DIVISA DO ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO
SALVADOR
BAHIA
30
Bahia
LEGENDA
DIVISA DO ESTADO
NÍVEL CERÁUNICO
CAPITAL DO ESTADO
20
60
40
30
CEARÁ
FORTALEZA
40
60
Ceará
UnB/FT/EnE
Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – 64 – 98/04960
ESPÍRITO SANTO
30
VITÓRIA
30
20
LEGENDA
DIVISA DE ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO
Espírito Santo
Goiás/Distrito Federal
UnB/FT/EnE
Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – 65 – 98/04960
40
2030
40
10080
100
80
60
MARANHÃO
60
60
40
140
30
SÃO LUIS
LEGENDA
DIVISA DE ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO
Maranhão
10203040
60
10
20
30
80
40
2030
LEGENDA
DIVISA DO ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO
BELO HORIZONTE
MINAS GERAIS2
0
40
30
30
60 30
20
30
30
2020
Minas Gerais
UnB/FT/EnE
Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – 66 – 98/04960
6080100120140
140
60
80 10
0
120
120
LEGENDA
DIVISA DO ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO
CUIABÁ
MATO GROSSO
Mato Grosso
100
80
60
12010080
120100
60
80
BELÉM
140
80100
120
4060
120140
60
PARÁ
10080
LEGENDA
DIVISA DE ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO
Pará
UnB/FT/EnE
Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – 67 – 98/04960
20
60
4030
105
PARAIBA
JOÃO PESSOA
LEGENDA
DIVISA DE ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO
Paraíba
40
60
40
80 CURITIBA
PARANÁ
60
LEGENDA
DIVISA DE ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO
Paraná
UnB/FT/EnE
Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – 68 – 98/04960
20
40
30
10
5
PERNAMBUCO
RECIFE20
LEGENDA
DIVISA DE ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO
Pernambuco
60
40
3020
203
0
40
PIAUÍ
TEREZINA
30
LEGENDA
DIVISA DE ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO
Piauí
UnB/FT/EnE
Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – 69 – 98/04960
20
6040 30
RIO GRANDE DO NORTE
NATAL
LEGENDA
DIVISA DE ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO
Rio Grande do Norte
20
30
40
PORTO ALEGRE
RIO GRANDE DO SUL
60
40
LEGENDA
DIVISA DE ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO
Rio Grande do Sul
UnB/FT/EnE
Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – 70 – 98/04960
20RIO DE JANEIRO
RIO DE JANEIRO
3020
30
LEGENDA
DIVISA DE ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO
Rio de Janeiro
80
60
80
PORTO VELHO
RONDÔNIA
LEGENDA
DIVISA DE ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO
Rondônia
UnB/FT/EnE
Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – 71 – 98/04960
40
60
40BOA VISTA
RORAIMA
LEGENDA
DIVISA DE ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO
Roraima
Santa Catarina
UnB/FT/EnE
Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – 72 – 98/04960
20
10
5
SERGIPE
ARACAJU
LEGENDA
DIVISA DE ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO
Sergipe
30
80
40
SÃO PAULO
30
SÃO PAULO
60
20
8060
40 30 20 30
LEGENDA
DIVISA DE ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO
São Paulo
UnB/FT/EnE
Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – 73 – 98/04960
TOCANTINS140
12010080
80
120100
PALMAS
80
6040
LEGENDA
DIVISA DE ESTADONÍVEL CERÁUNICOCAPITAL DO ESTADO
Tocantins
UnB/FT/EnE
Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – 74 – 98/04960
UnB/FT/EnE
Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – 75 – 98/04960
UnB/FT/EnE
Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – 76 – 98/04960
UnB/FT/EnE
Fernando Nominato Coutinho Cássio Alexandre Altoé 97/04973 – 77 – 98/04960