stefani rodrigo verardino de

UNIVERSIDADE DE SO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE SO CARLOS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA

RODRIGO VERARDINO DE STFANI

METODOLOGIA DE PROJETO DE SISTEMA DE PROTEO

CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS PARA EDIFCIO

RESIDENCIAL

So Carlos 2011

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RODRIGO VERARDINO DE STFANI

METODOLOGIA DE PROJETO DE SISTEMA DE PROTEO CONTRA

DESCARGAS ATMOSFRICAS PARA EDIFCIO RESIDENCIAL

Trabalho de Concluso de Curso apresentado Escola de Engenharia de So

Carlos, da Universidade de So Paulo.

Curso de Engenharia Eltrica com nfase em Sistemas de Energia e Automao.

ORIENTADOR: Prof. Dr. Ruy Alberto Corra Altafim

So Carlos, Novembro de 2011

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AUTORIZO A REPRODUO E DIVULGAO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

Ficha catalogrfica preparada pela Seo de Tratamento da Informao do Servio de Biblioteca EESC/USP

SUMRIO

De Stfani, Rodrigo Verardino.

D441m Metodologia de projeto de sistema de proteo contra descargas atmosfricas contra edifcio residencial. / Rodrigo Verardino De Stfani ; orientador Ruy Alberto Corra Altafim. -- So Carlos, 2011.

Monografia (Graduao em Engenharia Eltrica) -- Escola de Engenharia de So Carlos da Universidade de So Paulo, 2011.

1. Raios. 2. Descargas atmosfricas. 3. SPDA. 4. Projeto. 5. Captores Franklin. 6. Gaiola de

Faraday. I. Ttulo.

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Contedo I. Dedicatria e agradecimentos ................................................................................... 5 II. Resumo .................................................................................................................... 6 III. Abstract ................................................................................................................... 7 1. Introduo ................................................................................................................. 8 2. Objetivo .................................................................................................................... 9 3. O Brasil no cenrio mundial .................................................................................... 10 4. Como so geradas as descargas atmosfricas. ...................................................... 11 5. Caractersticas das descargas atmosfricas ........................................................... 13

5.1. Instrumentos utilizados no estudo das descargas atmosfricas. ...................... 13 5.2 Forma de onda da descarga atmosfrica .......................................................... 14 5.3 Valores da descarga atmosfrica ...................................................................... 15

6. Orientaes para a proteo das pessoas .............................................................. 17 7. Verificao da necessidade de um Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas ............................................................................................................... 18

7.1. Introduo ........................................................................................................ 18 7.2. Mapa Isocerunico ........................................................................................... 18 9.3. A verificao ..................................................................................................... 19 7.4. Interpretao dos resultados ............................................................................ 23

8. Nveis de proteo .................................................................................................. 24 9. O Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas ......................................... 26

9.1. Introduo ........................................................................................................ 26 9.2. A norma regulamentadora brasileira ................................................................. 26 9.3. O custo da no proteo .................................................................................. 27 9.4. O SPDA isolado ............................................................................................... 28

10. Elementos que compem um Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas - SPDA........................................................................................................................ 29

10.1. Introduo ...................................................................................................... 29 10.2. Captor ............................................................................................................ 30 10.3. Condutor de descida ...................................................................................... 30 10.4. Anel de equipotencializao ........................................................................... 32 10.5. Cabo de proteo de borda ............................................................................ 34 10.6. Ligaes Equipotenciais ................................................................................. 34 10.7. Aterramento.................................................................................................... 35

11. Filosofias de sistemas de proteo contra descargas atmosfricas. ..................... 37 11.1. Introduo ...................................................................................................... 37

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11.2. Filosofia de captores tipo Franklin .................................................................. 37 11.2.1. ngulo de Proteo ................................................................................. 39 11.2.2. Raio de Atrao ou Mtodo Eletrogeomtrico .......................................... 40

11.3. Filosofia da Gaiola de Faraday ....................................................................... 41 11.4. Sistemas hbridos ........................................................................................... 43

12. Inspees do SPDA. ............................................................................................. 44 13. Metodologia de projeto de um SPDA. ................................................................... 45

13.1. Necessidade do SPDA segundo critrios da NBR-5.419. ............................... 46 13.2. Verificao do Nvel de Proteo que ser adotado. ...................................... 48 13.3. Dilogo entre Eng. Civil, Arquiteto e Projetista do SPDA. .............................. 48 13.4. Definio da filosofia de proteo que ser utilizada. ..................................... 48 13.5 Verificar a possibilidade de usar elementos naturais da edificao. ................ 49 13.6. Projeto do subsistema de captao. ............................................................... 49 13.7. Projeto do subsistema de distribuio de corrente. ........................................ 49 13.8. Projeto do subsistema de aterramento. .......................................................... 49 13.9. Execuo e acompanhamento do projeto do SPDA. ...................................... 50

14. Concluses. .......................................................................................................... 51 15. Referncias e bibliografia consultada .................................................................... 52 16. Projeto do SPDA do Edifcio Campinas ................................................................ 53

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I. Dedicatria e agradecimentos

Dedico esta obra minha famlia pelo apoio, carinho e educao que recebi durante todos esses anos.

Dedico tambm a todos os meus grandes amigos que fazem parte da minha vida dentro ou fora da universidade.

Agradeo Universidade de So Paulo por todas as oportunidades que me foram dadas.

Agradeo Escola de Engenharia de So Carlos e ao Departamento de Engenharia Eltrica.

Agradeo a turma da Automao 2006 pelos anos de companheirismo.

Agradeo Associao Atltica Acadmica do Campus de So Carlos USP pelas oportunidades e lies que no constam na grade curricular, mas que com certeza ficaro comigo pelo resto da vida.

Agradeo aos amigos da Repblica Poltergeist pelos incrveis anos que estive em So Carlos.

Agradeo ao meu orientador Prof. Dr. Ruy Alberto Corra Altafim, por despertar meu interesse em estudar um pouco mais sobre SPDA e consequentemente escolher este tema para o meu TCC.

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II. Resumo

Este trabalho descreve, de modo sucinto, uma descarga atmosfrica e foca nos Sistemas de Proteo contra Descargas Atmosfricas (SPDA), aceitos pela norma brasileira NBR-5.419 Proteo de Edificaes contra Descargas Atmosfricas.

No captulo final, pode ser encontrado o projeto do Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas de um edifcio.

Palavras-chave: Raios. Descargas Atmosfricas. SPDA. Projeto. Captores Franklin. Gaiola de Faraday.

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III. Abstract

This paper briefly describes a lightning and focus on the Lightning Protection Devices that are accepted by the Brazilian Standard NBR-5.419 Buildings Protection against Lightning.

At the last chapter of this paper you can find the design of a buildings Lightning Protection Devices.

Keywords: Lightning. Design. Protection. Lightning Protection Devices. Franklins rod. Faradays cage.

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1. Introduo

As descargas Atmosfricas so um fenmeno natural que atingem todo o planeta. Desde a antiguidade, esses fenmenos despertaram o medo, a curiosidade e a admirao dos seres humanos. Isso pode ser verificado pela existncia de deuses e a grande quantidade de mitos e crendices envolvendo as descargas atmosfricas ou raios.

Apesar de serem observadas e estudadas h sculos, a evoluo do conhecimento a respeito das descargas atmosfricas evoluiu muito lentamente. Ainda hoje, existem inmeras dvidas envolvendo o assunto, como por exemplo, o processo de eletrificao das nuvens.

Atualmente, o estudo das descargas atmosfricas um processo de reconhecida importncia e que chama ateno pelo fato de haverem muitas possibilidades diferentes de se proteger uma edificao. O uso de elementos naturais e a mistura de elementos que compe diferentes filosofias de proteo do ao projetista do SPDA uma liberdade muito grande de adequar o projeto s necessidades, oramento e peculiaridades de uma edificao.

A maioria destas possibilidades ser abordada no decorrer deste trabalho, sempre se embasando pela norma NBR-5.419, que regulamenta a proteo de edificaes contra descargas atmosfricas no Brasil.

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2. Objetivo O objetivo deste Trabalho de Concluso de Curso apresentar uma

metodologia fcil e didtica para elaborao do projeto de um Sistema de Proteo Contra Descargas Atmosfricas, ou SPDA, em um edifcio residencial.

Atravs da consulta de uma gama de materiais de apoio (Apostilas, trabalhos de graduao, livros didticos e teses) e se pautando tambm pela norma brasileira que trata deste assunto (NBR-5.419 Proteo de estruturas contra descargas atmosfricas), este Trabalho de Concluso de Curso (TCC) trata dos principais temas e discusses que envolvem o projeto de um Sistema de Proteo Contra Descargas Atmosfricas em um edifcio residencial.

No captulo final deste trabalho, encontramos o projeto do Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas do edifcio Campinas, que ser construdo na cidade de Ribeiro Preto SP.

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3. O Brasil no cenrio mundial

Cerca de 70 milhes de descargas atmosfricas atingem o Brasil a cada ano ([6] ELAT, INPE), isso equivale a uma frequncia de duas a trs descargas por segundo. Esse dado, segundo o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), confere ao Brasil o ttulo de ser um dos pases mais atingidos por descargas atmosfricas em todo o mundo.

Segundo boletim oficial do INPE, divulgado no dia 20/06/2011, foi registrado, no ano de 2010, 89 mortes devido a descargas atmosfricas. Esse nmero foi inferior a mdia apurada no perodo entre 2000 e 2009, que de 132 vtimas fatais por ano.

Alm do prejuzo inestimvel pela perda de vidas, as descargas atmosfricas ainda causam inmeros prejuzos materiais. Milhes de dlares so gastos todos os anos com reparos a linhas de transmisso, subestaes, sistemas de distribuio, telefonia e telecomunicao, indstrias e propriedades privadas.

No Brasil, a obrigatoriedade de instalao de um Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas normalmente dada por meio de leis municipais. Apesar disso, ela tambm consta de forma indireta no Cdigo de Defesa do Consumidor (Cap. III, Art. 6) e explicitamente na NR-10 Segurana em Instalaes e Servios em Eletricidade (item 10.2.4 b) para instalaes com potncia superior a 75 kW.

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4. Como so geradas as descargas atmosfricas.

A eletrificao e concentrao de cargas em diferentes pores de uma nuvem faz com que a mesma adquira uma caracterstica de dipolo eltrico.

Existem algumas teorias que tentam explicar como ocorre o processo de eletrificao da nuvem e entre as mais bem aceitas esto a teoria da precipitao e tambm a teoria da conveco. Ambas as teorias de eletrificao concluem que na grande maioria dos casos (cerca de 90% das vezes) ([2] MAMEDE FILHO, JOO) a nuvem se carrega negativamente em sua poro inferior e positivamente em sua poro superior. Apesar dessa disposio de cargas na nuvem no ocorrer em 100% das vezes, ela ser utilizada como base para a explicao do processo de surgimento das descargas atmosfricas.

A concentrao de cargas negativas na poro inferior da nuvem provoca uma imensa migrao de cargas positivas para a rea correspondente sua sombra na terra. Essa nuvem, quando levada pelo vento, faz com que essas cargas positivas se desloquem na terra, escalando pessoas, casas, prdios, torres, para-raios e morros, passando por diversas condies atmosfricas ([3] KINDERMAN, GERALDO).

O aumento na diferena de potencial ou gradiente de tenso nuvem-terra pode chegar ao ponto de superar a rigidez dieltrica do ar, que de aproximadamente 3MV/m. Quando isso ocorre, d-se inicio a um fenmeno chamado de descarga piloto descendente, que nada mais do que a migrao das cargas negativas da nuvem para a terra ([2] MAMEDE FILHO, JOO).

Mantendo-se elevada essa diferena de potencial entre terra e nuvem, a aproximao da descarga piloto descendente induz uma descarga ascendente. Essa descarga o deslocamento das cargas positivas da terra tentando encontrar a descarga piloto descendente.

Quando as duas descargas se juntam Attachment, conectam o potencial da terra ao da nuvem criando uma descarga de retorno que segue o caminho previamente ionizado desde a terra at a nuvem. S ento se origina a descarga principal, de grande intensidade, no sentido da nuvem para a terra ([2] MAMEDE FILHO, JOO).

A figura abaixo ilustra as etapas de formao da descarga atmosfrica que foram descritas acima.

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FIGURA 1: Etapas da formao da descarga atmosfrica nuvem solo.

O deslocamento da massa de ar ao redor da descarga principal, devido altssima temperatura, responsvel pelo fenmeno que conhecemos como trovo.

Para maiores informaes sobre o processo de eletrificao das nuvens ou formao das descargas atmosfricas, podem ser consultadas as referncias bibliogrficas: [2] MAMEDE FILHO, JOO; [3] KINDERMAN, GERALDO; [4] VISACRO FILHO, SILVRIO.

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5. Caractersticas das descargas atmosfricas

5.1. Instrumentos utilizados no estudo das descargas atmosfricas.

Como citado anteriormente, a natureza aleatria e imprevisvel das descargas atmosfricas sempre foram fatores que dificultaram seu estudo e pesquisa. Mesmo assim, alguns instrumentos foram criados/idealizados na tentativa de detectar ou medir algumas das caractersticas das descargas atmosfricas.

Entre eles podemos citar ([3] KINDERMAN, GERALDO):

Centelhador: um dispositivo composto de vrios centelhadores posicionados com diferentes espaamentos para medir a amplitude da corrente das descargas atmosfricas.

Caleidogrfico: um dispositivo que usa dos fortes campos eletrostticos das descargas atmosfricas para induzir tenso em um centelhador que registra espectros em uma pelcula de material fotogrfico.

Ampermetro Magntico: um dispositivo que magnetiza uma pequena placa do material magntico de acordo com a corrente de crista da descarga atmosfrica.

Oscilgrafo de Raios Catdicos: um osciloscpio conectado a um circuito que sensvel a variao do campo eletromagntico da descarga atmosfrica.

Fulcrongrafo: um osciloscpio com memria que armazena os vrios instantes da descarga atmosfrica em dentes magnticos de uma roda que gira.

Registrador Fotogrfico: uma mquina fotogrfica de alta velocidade que grava em sequencia o desenvolvimento da descarga atmosfrica.

Ceraunmetro: um instrumento que conta o nmero de descargas atmosfricas de acordo com a intensidade e variao dos campos magnticos. Este instrumento tambm mede a inclinao dos campos magnticos, o que nos permite concluir se uma descarga ocorreu apenas entre nuvens ou se atingiu o solo.

Induo por Foguetes: uma descarga artificial pode ser induzida lanando-se um foguete que leva com ele at uma altura de 200 a 300 metros do solo um cabo condutor conectado a terra. Esse mtodo facilita o processo de

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formao da descarga atmosfrica, podendo induzir-se vrias descargas que sero estudadas com o auxilio de outros equipamentos.

Alm da induo de descargas atmosfricas por foguetes, existem estudos de descargas induzidas por meio de raios laser e jatos de gua. Segundo o INPE, esses mtodos j foram testados em laboratrios com xito, porm, ainda no comprovaram sua eficcia na atmosfera.

5.2 Forma de onda da descarga atmosfrica

Com os dados aquisitados nos inmeros estudos e pesquisas, foi possvel comprovar que a corrente da descarga tem uma nica polaridade, isto , uma s direo. Tambm foi possvel chegar forma de onda tpica de uma descarga atmosfrica, conforme mostrado na figura abaixo.

FIGURA 2: Forma de onda tpica da tenso de uma descarga atmosfrica.

Nela, verificamos que seu valor mximo de tenso V2, ou Valor de Crista, atingido no instante T2, que pode variar entre 1 e 10 s e recebe o nome de Frente de Onda.

Aps o Valor de Crista, a tenso da descarga atmosfrica comea a cair, atingindo uma intensidade de 50% de V2 em um intervalo de tempo T1, que varia de 20 a 50 s e recebe o nome de Tempo de Meia Cauda. A tenso ento se torna

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praticamente zero ao final de T0, aps um perodo que pode variar entre 100 e 200 s e recebe o nome de Tempo de Cauda.

A onda de tenso caracterstica da descarga atmosfrica foi normalizada com 1,2 s para o valor de Frente de Onda e 50 s para o valor do Tempo de Meia Cauda. Essa onda de tenso tambm conhecida como onda de 1,2 x 50 s. J a onda de corrente da descarga atmosfrica foi normalizada com 8 s para o valor de Frente de Onda e 20 s para o valor do Tempo de Meia Cauda. Consequentemente, a onda de corrente da descarga atmosfrica conhecida como onda 8 x 20 s ([2] MAMEDE FILHO, JOO).

A determinao dos valores tpicos de tenso, corrente e tempo de fundamental importncia no dimensionamento dos sistemas de proteo contra descargas atmosfricas ou SPDA.

5.3 Valores da descarga atmosfrica

Alm dos valores tpicos que dizem respeito forma de onda da tenso e corrente da descarga atmosfrica, outras grandezas foram medidas e registradas e esto indicadas na tabela abaixo ([3] KINDERMAN, GERALDO):

TABELA 1: Valores de uma descarga atmosfrica.

Corrente 2.000 a 200.000 Ampres Tenso 100 a 1.000 kV Durao 70 a 200 s Carga eltrica da nuvem 20 a 50 C Potncia liberada 1 a 8 bilhes de kW Energia 4 a 10 kWh Tempo de crista 1,2 s Tempo de meia calda 50 s di(t)/dt 5,5 kA/s

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Ainda de acordo com medies e estudos realizados por investigadores internacionais, ao analisar a curva de probabilidade da magnitude da corrente do raio, podemos dizer que ([3] KINDERMAN, GERALDO):

70% das descargas atmosfricas excedem 10 kA;



5% das descargas atmosfricas excedem 80 kA.

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6. Orientaes para a proteo das pessoas

Nas tempestades, com presena de descargas atmosfricas, algumas pessoas, por pavor, tomam medidas de proteo que muitas vezes no so adequadas. O ideal nesse caso identificar um abrigo com um sistema de proteo contra descargas atmosfrica.

Se isso no for possvel, deve-se seguir algumas recomendaes que podem salvar a vida de um indivduo que se encontre em uma situao de perigo ([2] MAMEDE FILHO, JOO).

Retire-se da gua e evite a posio de nado; Na praia, evite caminhar ou deitar na areia e procure abrigo; Em um pequeno barco ou jangada, recolha as varinhas de pescar e deite no

assoalho da embarcao. Procure local para um desembarque seguro; Interrompa partidas esportivas e procure abrigo sob arquibancadas; Evite permanecer em picos de morros; Operrios devem abandonar o topo de construes; Evite permanecer sob rvores isoladas. Se no encontrar abrigo, procure um

local com maior nmero de rvores. No deite no cho, fique agachado e com a cabea baixa.

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7. Verificao da necessidade de um Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas

7.1. Introduo

A verificao da necessidade de um Sistema de Proteo Contra Descargas Atmosfricas se d por um clculo probabilstico descrito na norma NBR-5.419 (normativa ABNT de Sistemas de Proteo contra descargas Atmosfricas, que ser posteriormente apresentada), em seu anexo B.

Esse clculo, que ser apresentado a seguir, leva em considerao os seguintes fatores:

Densidade de descargas atmosfricas para Terra; Nmero de dias de trovoadas por ano para a rea em questo; rea de exposio equivalente da edificao.

7.2. Mapa Isocerunico

O conceito de Mapa Isocerunico deve ser introduzido antes de darmos incio verificao da necessidade de um Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas.

Isso porque atravs dele que verificamos o nmero de dias com trovoadas por ano para a rea em que se est projetando o Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas. Esse ndice, chamado de ndice cerunico, fundamental para avaliar a necessidade do SPDA.

Na figura a seguir temos o Mapa Isocerunico do Brasil retirado da norma NBR-5.419.

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FIGURA 3: Mapa Isocerunico do territrio brasileiro retirado da NBR-5.419.

9.3. A verificao

Para verificar a necessidade de um Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas, temos que multiplicar uma srie de ndices que esto descritos abaixo ([1] ABNT, NBR 5.419):

Risco de Exposio (Nda) da edificao a proteger:

A densidade de descargas atmosfricas Nda que atingem Terra em uma determinada regio t, pode ser dada por:

= 0,04

,

[km2/ano]

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Onde Nt o ndice cerunico da regio t, ou nmero de dias com trovoadas por ano. Esse ndice encontrado no Mapa Isocerunico, que foi apresentado acima.

rea de Exposio Equivalente (Ae) da edificao:

definida como a rea de captao de uma descarga por uma estrutura normal, sem Sistema de Proteo contra Descarga Atmosfrica.

Para exemplificar o conceito de rea de Exposio Equivalente, temos a figura abaixo:

Figura 4: rea de exposio equivalente de uma edificao.

Para obter o ndice Ae usamos a seguinte equao:

= + 2 + 2 + [m2]

Onde: L o comprimento da estrutura;

W a largura da estrutura;

H a altura da estrutura.

Frequncia mdia anual de descargas (Npr) sob uma edificao:

o nmero provvel de descargas atmosfricas que podem atingir uma determinada edificao em um intervalo de um ano. obtido pela multiplicao dos ndices anteriores, como segue abaixo:

= 10

[1/ano]

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Fatores de ponderao de uma edificao:

Para tomar uma deciso mais segura a respeito da necessidade de se instalar um Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas conveniente calcular a Probabilidade Ponderada de que essa edificao seja atingida.

A Probabilidade Ponderada tambm leva em conta algumas caractersticas da edificao e de arredores, o que d mais confiabilidade no momento de tomada da deciso. Os fatores de ponderao esto descritos nas tabelas abaixo ([2] MAMEDE FILHO, JOO), ([1] ABNT, NBR - 5419):

TABELA 2: Fator de ocupao da estrutura.

Fator A: Tipo de ocupao da estrutura Fator A

Casas e outras estruturas de porte equivalente 0,3

Casas e outras estruturas de porte equivalente com antena externa instalada 0,7

Fbricas, oficinas e laboratrios 1,0

Edifcios de escritrios, hotis e apartamentos, e outros edifcios residenciais no includos abaixo 1,2

Locais de afluncia de pblico (como por exemplo igrejas, pavilhes, teatros, museus, exposies, lojas de departamentos, correios, estaes, aeroportos e estdios de esportes)

1,3

Escolas, hospitais, creches e outras instituies, estruturas de mltiplas atividades 1,7

TABELA 3: Fator de construo da estrutura.

Fator B: Tipo de construo da estrutura Fator B

Estruturas de ao revestida com cobertura no metlica* 0,2

Estruturas de concreto armado com cobertura no metlica 0,4

Estruturas de ao revestido ou de concreto armado com cobertura metlica 0,8

Estrutura de alvenaria ou concreto simples com qualquer cobertura, exceto metlica ou de palha 1,0

Estrutura de madeira ou revestida de madeira com qualquer cobertura, exceto metlica ou de palha 1,4

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Estruturas de madeira, alvenaria ou concreto simples com cobertura metlica 1,7

Qualquer estrutura com teto de palha 2,0

*Estruturas de metal aparente que sejam contnuas, at o nvel do solo esto excludas desta tabela, porque requerem apenas um subsistema de aterramento.

TABELA 4: Fator de contedo e efeitos indiretos da estrutura.

Fator C: Contedo da estrutura e efeitos indiretos Fator C

Residncias comuns, edifcios de escritrios, fabricas e oficinas que no contenham objetos de valor ou particularmente suscetveis a danos

0,3

Estruturas industriais e agrcolas contendo objetos particularmente suscetveis a danos 0,8

Subestaes de energia eltrica, usinas de gs, centrais telefnicas, estaes de rdio 1,0

Indstrias estratgicas, monumentos antigos, prdios histricos, museus, galerias de arte e outras estruturas com objetos de valor especial

1,3

Escolas, hospitais, creches e outras instituies, locais de afluncia de pblico 1,7

TABELA 5: Fator de localizao da estrutura.

Fator D: Localizao da estrutura Fator D

Estrutura localizada em uma grande rea contendo estruturas ou rvores da mesma altura ou mais altas (como por exemplo florestas ou grandes cidades)

0,4

Estrutura localizada em uma rea contendo poucas estruturas ou rvores de altura similar 1,0

Estrutura completamente isolada, ou que ultrapassa, no mnimo, duas vezes a altura de estruturas ou rvores prximas 2,0

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TABELA 6: Fator de topografia e regio da estrutura.

Fator E: Topografia da regio Fator E

Plancie 0,3

Elevaes moderadas, colinas 1,0

Morros entre 300 m e 900 m 1,3

Morros acima de 900 m 1,7

O Fator de probabilidade ponderada (P0), ser ento o resultado da multiplicao da Frequncia mdia anual de descargas (Npr) por todos os Fatores de ponderao, como apresentado abaixo:

= ! [1/ano]

7.4. Interpretao dos resultados

O Fator de Probabilidade Ponderada (P0) nos fornece o nmero de descargas que atingiro a edificao no perodo de um ano. A comunidade tcnica internacional reconhece os seguintes limites de probabilidade ([2] MAMEDE FILHO, JOO), ([1] ABNT, NBR 5.419):

Riscos maiores de 10-3 so inadmissveis e, portanto, existe a necessidade de instalao de um SPDA.

Riscos menores de 10-5 representam um valor aceitvel e no h necessidade de instalao de um SPDA.

No caso de riscos entre 10-5 e 10-3 a instalao de um SPDA vai de acordo com a convenincia do usurio.

importante mencionar que a constatao da no necessidade de instalao de um SPDA no garante que a estrutura nunca ser atingida por uma descarga atmosfrica. Na ptica da segurana e proteo da vida humana, no tolervel o convvio com nenhum risco que possa ser evitado.

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8. Nveis de proteo

Detectada a necessidade de um Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas, o prximo passo ser determinar o Nvel de Proteo dessa edificao. Isso de fundamental importncia, j que o contedo da edificao a proteger altera o rigor das medidas de proteo que pode variar do mais alto nvel (nvel I) ao mais baixo (nvel IV).

Em linhas mais gerais, o nvel de proteo de um SPDA est ligado eficincia desse sistema ou probabilidade de ele proteger o volume em questo. A seguir, temos uma descrio mais completa do que contempla cada um dos nveis de proteo ([2] MAMEDE FILHO, JOO):

Nvel I: Nvel de proteo mais rigoroso e seguro. Usado em estruturas de servios estratgicos ou que apresentam risco para os arredores.

Nvel II: Edificao com bens de grande valor ou que abriga um grande nmero de pessoas. No representa risco para estruturas adjacentes.

Nvel III: Edificao de uso comum.

Nvel IV: Nvel de proteo mais baixo. Usado em estruturas raramente ocupadas por pessoas e que no armazenam material combustvel.

A tabela B.6, retirada da norma NBR-5.419 (normativa ABNT de Sistemas de Proteo contra descargas Atmosfricas, que ser posteriormente apresentada), classifica as estruturas quanto ao nvel de proteo necessrio ou indicado para cada uma delas.

TABELA 7: Classificao do nvel de proteo de diferentes edificaes.

Classificao da Estrutura Tipo da Estrutura Efeito das Descargas Atmosfricas

Nvel de Proteo

Estruturas comuns

Residncias

Perfurao da isolao de instalaes eltricas, incndio e danos materiais. Danos normalmente limitados a objetos no ponto de impacto ou no caminho do raio.

III

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Fazendas, estabelecimentos

agropecurios

Risco direto de incndio e tenses de passo perigosas. Risco indireto devido interrupo de energia e risco de morte para animais devido perda de controles eletrnicos de ventilao, suprimento de alimentao e outros.

III ou IV

Teatros, escolas, lojas de departamentos, reas esportivas e igrejas

Danos s instalaes eltricas e possibilidade de pnico. Falha do sistema de alarme contra incndio, causando atraso no socorro.

II

Bancos, companhias de seguros, companhias comerciais e outros

Como anteriormente, alm de efeitos indiretos com a perda de comunicaes, falhas dos computadores e perda de dados.

II

Hospitais, casas de repouso e prises

Como para escolas, alm de efeitos indiretos para pessoas em tratamento intensivo e dificuldade de resgate de pessoas imobilizadas.

II

Indstrias Efeitos indiretos, variando de danos pequenos a prejuzos inaceitveis e perda de produo.

III

Museus, locais arqueolgicos

Perda de patrimnio cultural insubstituvel. II

Estruturas com risco confinado

Estaes de telecomunicao, usinas

eltricas, indstrias

Interrupo inaceitvel de servios pblicos por breve ou longo perodo de tempo. Risco indireto para as imediaes devido a incndios.

I

Estruturas com risco para os

arredores

Refinarias, postos de combustvel, fbricas de

fogos, fbricas de munies

Risco de incndio e exploso para a instalao e seus arredores. I

Estruturas com risco para o

meio ambiente

Indstrias qumicas, usinas nucleares, laboratrios

qumicos

Risco de incndio e falhas de operao, com consequncias perigosas para o local e para o meio ambiente.

I

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9. O Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas

9.1. Introduo

Um bom Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas (SPDA), deve captar a descarga que atingiria um volume de proteo, conduzi-la em segurana pela edificao e dissip-la na terra. A descarga conduzida e dissipada com segurana significa a proteo dos ocupantes e da edificao em que o SPDA est instalado.

Como as descargas atmosfricas podem apresentar diferentes caractersticas ou peculiaridades, nenhum Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas garante 100% de eficcia na proteo, muito embora esse ndice possa chegar prximo a 98% no nvel de proteo I ([3] KINDERMAN, GERALDO).

importante lembrar tambm que a proteo de computadores, controladores, telefonia e equipamentos eletrnicos em geral no responsabilidade do Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas. Para isso, deve ser contratado um projeto de proteo adicional com supressores de surto para cada um dos equipamentos, pois a conduo da descarga pela edificao produz uma forte interferncia eletromagntica.

9.2. A norma regulamentadora brasileira

A norma NBR-5.419 Proteo de Estruturas Contra Descargas Atmosfricas da Associao Brasileira de Normas Tcnicas (ABNT) a responsvel por regulamentar todos os aspectos que envolvem o dimensionamento, instalao e manuteno de um Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas SPDA.

Todo projeto de Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas realizado no Brasil tem a obrigao de atender, no mnimo, o que exigido pela NBR-5.419. Existem, claro, estruturas especiais e que requerem medidas de proteo adicionais que no esto descritas nessa norma.

Segue abaixo o objetivo da NBR-5.419, que foi retirado da prpria norma com o intuito de esclarecer melhor o que ela realmente contempla.

1. Objetivo

1.1 Esta Norma fixa as condies exigveis ao projeto, instalao e manuteno de sistemas de proteo contra descargas atmosfricas (SPDA) de estruturas (definidas

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em 1.2), bem como de pessoas e instalaes no seu aspecto fsico dentro do volume protegido. 1.2 Esta Norma aplica-se s estruturas comuns, utilizadas para fins comerciais, industriais, agrcolas, administrativos ou residenciais, e s estruturas especiais previstas no anexo A. 1.3 Esta Norma no se aplica a:

a) sistemas ferrovirios; b) sistemas de gerao, transmisso e distribuio de energia eltrica externos s estruturas; c) sistemas de telecomunicao externos s estruturas; d) veculos, aeronaves, navios e plataformas martimas.

1.4 Esta Norma no contempla a proteo de equipamentos eltricos e eletrnicos contra interferncias eletromagnticas causadas pelas descargas atmosfricas. 1.5 A aplicao desta Norma no dispensa a observncia dos regulamentos de rgos pblicos aos quais a instalao deva satisfazer. (retirado da NBR-5419 Proteo de Estruturas Contra Descargas Atmosfricas)

9.3. O custo da no proteo

Como apresentado no Captulo 3 deste trabalho, o Brasil um dos pases mais atingidos por descargas atmosfricas em todo o mundo. Tambm tem o maior nmero relativo de vtimas e sofre mais prejuzos financeiros do que a maioria dos pases ([6] ELAT, INPE).

Negligenciar a importncia de um bom Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas expe a edificao ao risco constante de ser atingido por uma descarga atmosfrica. Os prejuzos dessa deciso vo desde a perda de equipamentos e parada no processo produtivo at a perda de vidas que poderiam ser poupadas.

A obrigatoriedade de instalao de um Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas normalmente dada por meio de leis municipais. Apesar disso, ela tambm consta de forma indireta no Cdigo de Defesa do Consumidor (Cap. III, Art. 6) e na NR-10 Segurana em Instalaes e Servios em Eletricidade (item 10.2.4 b) para instalaes com potncia superior a 75 kW.

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9.4. O SPDA isolado

Quando um Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas fisicamente isolado do volume de proteo ele recebe o nome de SPDA Isolado. Essa configurao no muito comum e, como exemplo, pode-se citar uma torre munida de um SPDA protegendo uma edificao que est ao seu lado, respeitando, porm uma distncia mnima de 2,0 metros.

O principal objetivo de se projetar um SPDA isolado fazer com que o captor e os condutores de descida estejam suficientemente afastados do volume de proteo reduzindo assim a probabilidade de centelhamento perigoso ([2] MAMEDE FILHO, JOO).

Lembrando que a configurao mais utilizada o SPDA no isolado, que instalado sobre o volume de proteo.

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10. Elementos que compem um Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas - SPDA.

10.1. Introduo

Um Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas composto por trs subsistemas, sendo eles ([4] VISACRO FILHO, SILVRIO):

Subsistema de captao; Subsistema de distribuio de corrente; Subsistema de aterramento.

Cada um desses subsistemas contm elementos que desempenham diferentes funes como veremos a seguir.

Na figura abaixo temos exemplos dos elementos que compe um Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas:

FIGURA 5: Elementos que compe um SPDA.

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10.2. Captor

O captor o elemento que recebe o impacto direto da descarga atmosfrica. pelo captor que a descarga atmosfrica entra no SPDA e conduzida a terra sem atingir diretamente o volume de proteo. Os captores podem ser divididos em captores naturais e captores no naturais.

Um captor no natural um elemento metlico normalmente na forma de uma haste vertical, cabo horizontal ou elemento desenhado especificamente para este fim, como o caso do captor tipo Franklin que geralmente composto por uma ponteira metlica de trs pontas ([2] MAMEDE FILHO, JOO).

J os captores naturais so elementos metlicos que esto potencialmente expostos s descargas atmosfricas. Tanques, tubos, telhas e trelias metlicas com espessura superior a 0,5 mm so considerados captores naturais de uma edificao.

Segundo a NBR-5.419, a seco mnima para os captores no naturais a seguinte:

TABELA 8: Seco mnima dos captores.

Material Seco Cobre 35 mm2

Alumnio 70 mm2 Ao galvanizado 50 mm2

10.3. Condutor de descida

O condutor de descida leva a corrente da descarga atmosfrica do captor para ser dissipada na terra. Ele deve passar por toda a edificao de um modo seguro para que no cause efeitos secundrios perigosos como centelhamento lateral e induo de corrente em condutores prximos ([2] MAMEDE FILHO, JOO).

O condutor de descida tambm pode ser natural ou no natural.

Um condutor de descida no natural um elemento com condutividade mnima de 98%, que traa um percurso retilneo e vertical, ligando o captor a terra pelo menor percurso possvel e fixado na edificao no mnimo a cada 2 metros ([2] MAMEDE FILHO, JOO).

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O espaamento mximo entre os condutores de descida depende do nvel de proteo adotado para a edificao e segundo a NBR-5.419 deve ser o seguinte:

TABELA 9: Espaamento entre os condutores de descida.

Nvel de Proteo Espaamento (m) I 10 II 15 III 20 IV 25

Um condutor de descida natural um elemento condutor prprio da edificao que deve atender a alguns pr-requisitos ([2] MAMEDE FILHO, JOO):

seco mnima correspondente a da NBR-5.419; comprovao da continuidade eltrica entre seus dois pontos extremos; o ao embutido na estrutura de concreto armado pode ser utilizado

desde que a conexo entre as barras seja soldada, reforada com arame torcido e esteja sobreposta no mnimo em 20 vezes o valor de seu dimetro;

tubulaes metlicas podem ser usadas desde que no transportem material inflamvel (gs ou leo, por exemplo);

o ao de concreto protendido no pode ser usado como condutor natural;

Alm de atender aos pr-requisitos mencionados acima, ao substituir os condutores de descida no naturais por condutores naturais da edificao, recomenda-se o uso de um cabo ou barra metlica adicional nos pilares da edificao com a funo de concentrar nele a maior parte da corrente de descarga.

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Segundo a NBR-5.419 a seco mnima dos condutores de descida a seguinte:

TABELA 10: Seco mnima de condutores de descida.

Material Seco para estruturas de at 20 metros

Seco para estruturas maiores do que 20 metros

Cobre 16 mm2 35 mm2 Alumnio 25 mm2 70 mm2

Ao galvanizado 50 mm2 50 mm2

10.4. Anel de equipotencializao

A NBR-5.419 prev que devem ser instalados anis de equipotencializao ao redor de uma edificao, dependendo de sua altura.

O primeiro anel que est previsto pela norma o que interliga todas as descidas e hastes de aterramento que esto ao redor da edificao a proteger. O anel dever ser feito por um cabo de cobre nu enterrado a aproximadamente 0,5 metro de profundidade. Na impossibilidade de realizar esse anel, um outro deve ser previsto a uma altura no maior do que 4 metros acima do nvel do solo ([1] ABNT, NBR 5.419).

Para interceptar as descargas laterais e dividir a corrente da descarga entre as diversas descidas, a norma tambm prev um anel de equipotencializao a cada 20 metros de altura, contando a partir do nvel do solo. Este anel pode estar embutido no reboco da edificao, mas de fundamental importncia que ele esteja na face exterior da mesma.

A figura abaixo exemplifica a disposio dos anis de equipotencializao que devem existir em uma estrutura a proteger:

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Figura 6: Exemplo da disposio dos anis de equipotencializao.

O uso dos elementos naturais da edificao como condutores de descida supre a necessidade dos anis de equipotencializao, segundo item 5.1.2.5.6., da NBR-5.419.

Segundo a NBR-5.419, a seco mnima dos condutores do anel de equipotencializao a seguinte:

TABELA 11: Seco mnima dos condutores do anel de equipotencializao.

Material Seco do anel de equipotencializao

Cobre 35 mm2 Alumnio 70 mm2

Ao galvanizado 50 mm2

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10.5. Cabo de proteo de borda

recomendvel que nas arestas superiores da edificao a proteger sejam instalados cabos de proteo de borda ([2] MAMEDE FILHO, JOO). Este cabo deve circular ao redor de toda a edificao interligando captores (caso estejam previstos) e o maior nmero de descidas possvel.

A funo deste cabo de proteo de borda atuar tanto como captor quanto anel de equipotencializao, dividindo a corrente da descarga no maior nmero de descidas possvel. Considerando o cabo de proteo de borda como um captor, temos que sua seco mnima, segundo a NBR-5.419, deve ser:

TABELA 12: Seco mnima dos condutores do cabo de proteo de borda.

Material Seco do cabo de proteo de borda



10.6. Ligaes Equipotenciais

A ligao equipotencial principal (LEP) o nome dado a barra condutora que interliga os diversos elementos da edificao listados abaixo:

Eletrodos e malhas de aterramento; Ao das estruturas de concreto armado; Trilhos de elevadores; Anel de equipotencializao; Condutores de descida; Condutor neutro, quando disponvel; Condutor terra de proteo; Blindagens; Canos metlicos; Bandejas metlicas;

Seu objetivo equalizar os diferentes potenciais que podem surgir quando uma edificao atingida por uma descarga atmosfrica. Esse um dos modos mais

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eficientes de se proteger o interior de uma edificao reduzindo os riscos de choques, incndios e exploses ([2] MAMEDE FILHO, JOO).

A caixa de inspeo contendo a ligao equipotencial principal (LEP) deve ser localizada na parte mais baixa da edificao (no subsolo quando possvel) e de maneira a possibilitar um fcil acesso para manuteno. Em edificaes de grande porte possvel encontrar mais de uma LEP, sendo que estas devem estar devidamente conectadas.

Segundo a NBR-5.419, a seco mnima dos condutores de equipotencializao deve ser:

TABELA 13: Seco mnima dos condutores de equipotencializao.

Material Seco para condutor de equipotencializao



10.7. Aterramento.

O aterramento o responsvel por dissipar a corrente da descarga atmosfrica no solo. Para fazer isso de forma segura ele deve oferecer o mnimo de resistncia possvel e se espalhar de forma homognea, evitando assim diferenas de potencial muito alta ao redor do volume a proteger.

Por resistncia de aterramento, devemos entender a relao da tenso medida entre o eletrodo e o terra remoto pela corrente injetada nesse eletrodo. A NBR-5.419 no indica um valor como sendo o mximo valor admissvel e sim aponta 10 como um bom valor a ser trabalhado, suficiente para evitar sobretenses e centelhamento perigoso em estruturas normais.

A composio de um aterramento dada basicamente por materiais condutores no formato de hastes, cabos, encanamentos, anis e at mesmo a prpria armao de ao presente na fundao da edificao que se deseja proteger. Todos esses elementos devem ser devidamente conectados e imersos na terra para formarem juntos a malha de aterramento da edificao.

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Os elementos que compem o sistema de aterramento tambm podem ser divididos entre naturais e no naturais.

Os elementos de aterramento no naturais so normalmente cabos e eletrodos tipo hastes vertical, horizontal ou inclinada (haste de Copperweld). Ao executar um aterramento desse tipo, deve-se atentar a algumas distncias que devem ser respeitadas:

As hastes devem estar a uma distncia mnima de 1 metro da fundao da edificao;

As hastes devem respeitar um afastamento mnimo entre elas igual ao comprimento da prpria haste. Essa medida visa reduzir o efeito de indutncia mtua, o que acarretaria no aumento da resistncia de aterramento em uma situao de conduo de corrente ([4] VISACRO FILHO, SILVRIO).

Como elemento de aterramento natural, pode-se usar a armao de ao das fundaes ou encanamentos metlicos que estejam enterrados ao redor da edificao a proteger. No caso do uso das fundaes de uma estrutura, apesar do ao estar envolvido por uma camada de concreto, a caracterstica higroscpica (tendncia a absorver umidade) do mesmo o deixa com um valor de resistncia considerado baixo, criando assim um aterramento de boa qualidade ([4] VISACRO FILHO, SILVRIO).

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11. Filosofias de sistemas de proteo contra descargas atmosfricas.

11.1. Introduo

Basicamente existem duas filosofias de sistemas de proteo contra descargas atmosfricas, cada uma utilizando de uma diferente tcnica de proteo: a Filosofia de captores tipo Franklin e a Filosofia da Gaiola de Faraday ([4] VISACRO FILHO, SILVRIO).

Caractersticas fsicas da edificao (altura, materiais de construo utilizados, contedo etc.) so elementos decisivos no processo de escolha de qual ser a filosofia que garantir maior proteo alinhada a um menor custo.

A tabela abaixo foi retirada da NBR-5.419 e apresenta a filosofia de proteo mais adequada, levando em conta a altura da edificao a proteger.

TABELA 14: Filosofia de proteo segundo a altura da edificao.

Filosofia Franklin Filosofia da Gaiola

de Faraday

Nvel de Proteo

Raio de atrao ou raio da esfera

rolante para o Modelo

Eletrogeomtrico de Incidncia

(EGM)

ngulo de proteo para o Mtodo Franklin em funo da altura do captor h:

Dimenso mxima

do mdulo

da Gaiola de

Faraday

h = 0 - 20m

h = 21 - 30m

h = 31 - 45m

h = 46 - 60m

h = > 60m

I 20m 25 obs. 1 obs. 1 obs. 1 obs. 2 5 x 10m II 30m 35 25 obs. 1 obs. 1 obs. 2 10 x 20m III 45m 45 35 25 obs. 1 obs. 2 10 x 20m IV 60m 55 45 35 25 obs. 2 20 x 40m

Observao 1: Utilizar Modelo Eletrogeomtrico de incidncia ou Gaiola de Faraday. Observao 2: Utilizar apenas Gaiola de Faraday.

11.2. Filosofia de captores tipo Franklin

A filosofia dos captores tipo Franklin se fundamenta no princpio de que uma descarga piloto descendente pode ser interceptada por uma descarga ascendente iniciada a partir de um dos captores instalados na edificao ([4] VISACRO FILHO,

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SILVRIO). Estes captores podem ser hastes, cabos ou elementos naturais, como foi apresentado anteriormente. Dessa maneira, a circulao da corrente de descarga se daria pelos condutores previstos no SPDA, no atingindo assim o volume que se deseja proteger.

A figura abaixo ilustra uma edificao momentos antes de ser atingida por uma descarga atmosfrica. Note a concentrao de cargas eltricas na base da edificao migrando para o captor localizado no topo da mesma. Tambm se pode observar a descarga ascendente, que foi induzida pelo lder descendente, partindo do captor localizado no topo da edificao.

Figura 7: Edificao momentos antes de ser atingida por uma descarga atmosfrica.

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Ainda dentro da prpria Filosofia de captores tipo Franklin, existem dois modelos de incidncia que determinam duas reas de proteo diferentes para um mesmo captor, sendo elas: ngulo de Proteo e Raio de Atrao.

A diferena entre essas duas reas de proteo se d em funo do rigor em sua determinao. O mtodo do ngulo de proteo no eficaz em edificaes de altura elevada, pois desconsidera a hiptese de uma descarga lateral. Nesse caso o aconselhvel determinar a rea de proteo utilizando o mtodo do raio de atrao.

Abaixo sero fornecidos mais detalhes a respeito dos mtodos apresentados para determinao da rea de proteo de um captor.

11.2.1. ngulo de Proteo O mtodo do ngulo de proteo (ou ngulo de blindagem) mais comumente

utilizado devido facilidade em determinar-se o volume de proteo. De acordo com o nvel de proteo e altura do captor determinado um ngulo de proteo que parte do captor, roda em torno da edificao e forma um cone. Qualquer descarga que poderia atingir esse cone interceptada pelo SPDA.

A figura abaixo ilustra melhor o conceito de ngulo de proteo:

Figura 8: ngulo de proteo de um captor.

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11.2.2. Raio de Atrao ou Mtodo Eletrogeomtrico O conceito de raio de atrao (Ra) um pouco mais abstrato porque trata da distncia estimada em que a conexo da descarga descendente e ascendente ocorreria com grande probabilidade.

Dessa forma, os captores so posicionados de uma maneira em que qualquer lder descendente que surja nas imediaes do volume de proteo estaria distando Ra metros de um captor e uma distncia maior do que Ra metros de qualquer parte da edificao. Dessa forma, o lder descendente s se conectaria a descarga ascendente atravs de um dos captores do SPDA ([4] VISACRO FILHO, SILVRIO).

Existe uma maneira mais ilustrativa de como avaliar a proteo de uma edificao segundo o conceito de raio de atrao (Ra). Utilizando o mtodo das esferas rolantes, imaginamos uma esfera de raio (Ra) rolando sobre a edificao. Cada um dos pontos tocados pela esfera representam um ponto exposto a incidncia de uma descarga atmosfrica.

A figura abaixo ilustra uma esfera de raio (Ra) rolando sobre uma edificao:

Figura 9: Esfera rolando sobre uma edificao.

Observamos que a esfera toca somente os pontos A, B, C, D e E, formando uma regio fechada que representa a rea de proteo dos captores B, C e D.

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Os captores C e D poderiam ainda ser menores do que apresentado no esquema acima, porm normalmente se deve prever a instalao de antenas no topo das edificaes.

O raio de atrao Ra ou raio da esfera rolante ditado pela NBR-5.419, segundo o nvel de proteo adotado, como apresentado na tabela abaixo:

Tabela 15: Raio de atrao Ra para os nveis de proteo.

Nvel de Proteo Raio de atrao Ra I 20m II 30m III 45m IV 60m

11.3. Filosofia da Gaiola de Faraday

Essa filosofia recebe o nome de seu idealizador, o fsico e qumico ingls Michael Faraday (1791-1867). Em seus experimentos Faraday descobriu que envolvendo um volume por uma gaiola metlica, este ficava blindado do efeito de campos eletromagnticos.

Aterrando a Gaiola de Faraday observa-se que qualquer descarga ascendente induzida por um lder descendente se d por uma das partes metlicas da gaiola. A corrente da descarga circula apenas pela gaiola, protegendo tudo o que est no interior da mesma ([4] VISACRO FILHO, SILVRIO).

Para garantir a eficincia deste mtodo de proteo, deve-se respeitar o limite de tamanho mximo dos mdulos (reticulados) da gaiola tanto na parte superior como na lateral da edificao. Tambm se deve garantir que nenhuma parte da edificao vaze para fora da superfcie formada pela Gaiola de Faraday.

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Segundo a NBR-5.419, o tamanho mximo dos mdulos que compe a Gaiola de Faraday deve ser o seguinte:

Tabela 16: Tamanho mximo dos mdulos de proteo da Gaiola de Faraday.

Nvel de Proteo Tamanho mximo

do mdulo I 5x10m II 10x20m III 10x20m IV 20x40m

Como seco mnima dos condutores que compem a Gaiola de Faraday ser adotada o mesmo critrio dos captores, j que a gaiola est sujeita a incidncia direta de uma descarga atmosfrica.

Tabela 17: Seco mnima dos condutores que compe a Gaiola de Faraday.

Material Seco Cobre 35 mm2

Alumnio 70 mm2 Ao galvanizado 50 mm2

vlido mencionar que algumas vezes so utilizadas hastes verticais curtas (10 a 30 cm) na parte superior da gaiola. Essas hastes so tidas como opcionais e no modificam o desempenho do sistema.

Sobre a utilizao desse mtodo de proteo, tem-se que ele preferencialmente adotado em estruturas que ocupam reas extensas e o nico aceito pela NBR-5.419 para proteger estruturas com altura superior a 60 m de altura.

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11.4. Sistemas hbridos

Aos sistemas de proteo que utilizam uma mescla das duas filosofias apresentadas acima, d-se o nome de sistema hbrido ([4] VISACRO FILHO, SILVRIO).

Na proteo de uma edificao como um prdio comercial ou residencial temos o uso predominante da Gaiola de Faraday. Porm, a proteo atravs de uma gaiola pura raramente pode ser implementada, j que na cobertura desses prdios muitas vezes encontramos corpos elevados como caixas dgua, chamins, antenas e outros. Assim, complementa-se a proteo provida pela Gaiola de Faraday com um captor tipo Franklin, disposto no topo da edificao. Esse captor conectado aos cabos de proteo de borda, mdulos da Gaiola de Faraday e a todas as descidas disponveis.

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12. Inspees do SPDA.

A NBR-5.419 prev que todo SPDA deve passar por inspees peridicas a fim de verificar se ele se encontra em perfeito estado e de acordo com o que foi projetado.

Na fase de construo deve-se verificar:

1. Correta instalao das hastes de aterramento; 2. Cumprimento das condies para utilizao das armaduras como

integrantes naturais do SPDA; 3. Valor da resistncia de aterramento e o arranjo dos eletrodos (exceto

quando se usa a fundao como sistema de aterramento).

Ao trmino da instalao do SPDA e em perodos no superiores ao definido, a seguir deve-se verificar:

1. Conformidade do SPDA com o projeto original; 2. Integridade de todos os componentes utilizados; 3. Valor da resistncia de aterramento (exceto quando se usa a fundao

como sistema de aterramento).

A cada:

5 anos para estruturas normais sem risco de exploso; 3 anos para estruturas com grande concentrao de pblico ou

indstrias que contm risco de exploso ou armazenem material inflamvel;

1 ano para estruturas contendo munies ou explosivos ou que estejam em ambiente expostos a corroso atmosfrica severa.

Toda inspeo deve tambm ser devidamente documentada e arquivada ([1] ABNT, NBR 5.419).

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13. Metodologia de projeto de um SPDA. O desenvolvimento do projeto de um Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas pode ser dividido em etapas como as que sero apresentadas a seguir:

Figura 10: Fluxograma com os passos para realizao do projeto de um SPDA.

1. Verificao da necessidade do SPDA segundo

critrios da NBR-5.419.

2. Verificao do Nvel de Proteo que ser

adotado.

3. Dilogo entre Eng. Civil, Arquiteto e

Projetista do SPDA.

4. Definio da filosofia de proteo que ser

utilizada.

5. Verificar a possibilidade de usar elementos

naturais da edificao.

6. Projeto do subsistema de captao.

7. Projeto do subsistema de distribuio de

corrente.

8. Projeto do subsistema de aterramento.

9. Execuo e acompanhamento do projeto do

SPDA.

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Como exemplo prtico de aplicao desta metodologia, utilizaremos o edifcio residencial Campinas, localizado na cidade de Ribeiro Preto-SP.

Todos os blocos apresentados anteriormente sero abertos em tpicos, apresentando o porqu das escolhas que foram feitas. Posteriormente, no Captulo 16 desta obra, ser apresentado o projeto do SPDA do edifcio Campinas baseando-se nas escolhas que foram feitas ao aplicar esta metodologia.

13.1. Necessidade do SPDA segundo critrios da NBR-5.419.

O anexo B da NBR-5.419 apresenta um clculo probabilstico para determinar a necessidade de instalao de um SPDA. Ele leva em conta o local onde a edificao ser construda, bem como aspectos fsicos da edificao e de seus arredores.

Seguiremos com o clculo da necessidade do SPDA, assim como foi apresentado no Captulo 7 desta obra.

Risco de Exposio (Nda) da edificao a proteger:

Em Ribeiro Preto-SP: = 40 [dias com trovoadas/ ano]

= 0,04 40,

[descargas por km2/ano]

= 4,02 [descargas por km2/ano]

rea de Exposio Equivalente (Ae) da edificao:

= 23,5 12,53 + 2 23,5 50,71 + 2 12,53 50,71 + 50,71 [m2]

= 12027,00 [m2]

Frequncia mdia anual de descargas (Npr) sobre uma edificao:

= 4,02 12027 10

[descargas por ano]

= 4,83 10

[descargas por ano]

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Fatores de ponderao da edificao:

Tabela 18: Fatores de ponderao utilizados no edifcio Campinas.

Fator A: Tipo de ocupao da estrutura Fator A

Edifcios de escritrios, hotis e apartamentos, bem como outros edifcios residenciais no includos abaixo. 1,2

Fator B: Tipo de construo da estrutura Fator B

Estruturas de concreto armado com cobertura no metlica. 0,4

Fator C: Contedo da estrutura e efeitos indiretos Fator C

Residncias comuns, edifcios de escritrios, fbricas e oficinas que no contenham objetos de valor ou particularmente suscetveis a danos.

0,3

Fator D: Localizao da estrutura Fator D

Estrutura localizada em uma grande rea contendo estruturas ou rvores da mesma altura ou mais altas (como, por exemplo, florestas ou grandes cidades).

0,4

Fator E: Topografia da regio Fator E

Elevaes moderadas ou colinas. 1,0

Fator de probabilidade ponderada (P0)

= 4,83 10 1,2 0,4 0,3 0,4 1,0 [descargas por ano]

= 2,784 10&

[descargas por ano]

Interpretando este resultado segundo a NBR-5.419, temos a obrigatoriedade da instalao do SPDA neste edifcio.

importante mencionar que mesmo a obrigatoriedade no sendo constatada segundo os critrios da NBR-5.419, seria, com certeza, constatada pela NR-10. Este edifcio, por conter mais de 50 apartamentos, certamente tem potncia instalada superior a 75 kW.

Alm disso, o projetista do SPDA deve sempre ter em mente que, por se tratar de um sistema de proteo vida e ao patrimnio, a instalao do SPDA deve ser sempre recomendada, independentemente de qualquer situao.

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13.2. Verificao do Nvel de Proteo que ser adotado.

Segundo o que foi apresentado no Captulo 8 desta obra, temos que, para um edifcio estritamente residencial, o nvel de proteo indicado pela NBR-5.419 o III.

claro que este nvel o padro mnimo exigido pela norma. Vai de acordo com o projetista do SPDA e com o proprietrio da obra decidir se necessrio adotar um nvel de proteo mais rigoroso. Edifcios residenciais de alto padro podem utilizar nvel de proteo II j que possuem um oramento maior.

13.3. Dilogo entre Eng. Civil, Arquiteto e Projetista do SPDA. Esta uma etapa muito importante do projeto do SPDA j que, quanto mais integrado a edificao, maior costuma ser sua eficincia.

Alm disso, pode ser encontrado um compromisso entre proteo e manuteno da boa aparncia do edifcio. No necessria uma interveno drstica do SPDA para garantir proteo edificao.

13.4. Definio da filosofia de proteo que ser utilizada.

Para proteger o edifcio Campinas, foi escolhida a filosofia de proteo do tipo hbrida, que explicada no Captulo 11 desta obra.

A escolha foi feita considerando que o uso exclusivo de captores do tipo Franklin no topo da edificao no interceptariam adequadamente as descargas laterais. Ento, tratando-se de um edifcio com cerca de 50,0 metros de altura, faz-se necessrio o auxlio de uma Gaiola de Faraday.

O perfeito funcionamento da Gaiola de Faraday requer a garantia de continuidade eltrica entre os cabos de descida e a ferragem das vigas que faceiam a edificao. Na parte superior, cabos de proteo de borda formaro os mdulos necessrios para fechar a gaiola.

Alm disso, est prevista a instalao de um captor Franklin de 2,5 metros de altura no topo do edifcio. Essa medida tem a finalidade de proteger antenas, equipamentos e ocupantes localizados no topo do edifcio.

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13.5 Verificar a possibilidade de usar elementos naturais da edificao.

Utilizar um elemento natural da edificao normalmente garante uma reduo no custo de implantao do SPDA, j que se tem uma reduo na compra de materiais. Aproveitar elementos prprios da edificao de maneira correta tambm garante um aumento na eficincia do SPDA.

No caso do edifcio Campinas, a fundao e os pilares sero utilizados, respectivamente, como elementos naturais dos subsistemas de aterramento e distribuio de corrente. Um cabo que, partindo da ferragem dos tubules, cruza verticalmente a edificao dentro de seus pilares, chegando ao seu topo. As conexes cabo-cabo ou cabo-ferragem podem ser feitas utilizando solda exotrmica ou conector mecnico adequado.

13.6. Projeto do subsistema de captao. O subsistema de captao do edifcio Campinas ser composto por cabos de proteo borda e um captor Franklin com altura de 2,5 metros de altura instalado no topo do edifcio.

Os cabos de proteo de borda tambm formaro os mdulos de proteo que fecham a Gaiola de Faraday em sua face superior.

13.7. Projeto do subsistema de distribuio de corrente. O subsistema de distribuio de corrente do edifcio Campinas ser composto por seis descidas interconectadas por anis em sua base, topo e metade (oitavo pavimento). Alm disso, essas descidas estaro eletricamente conectadas ferragem das vigas que faceiam toda a lateral do edifcio, formando os mdulos de proteo da Gaiola de Faraday.

13.8. Projeto do subsistema de aterramento. Na fundao do edifcio, seis tubules foram escolhidos para trabalhar tambm como eletrodos de aterramento encapsulados. Para fazer a interligao eletrodo-eletrodo e tambm a eletrodo-descida, ser utilizado um condutor de cobre no formato de anel, estando ligado e este tambm, uma ligao equipotencial principal (LEP). A

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LEP ser utilizada para aferir a qualidade do aterramento, j que este se encontra inacessvel, em meio a uma estrutura de concreto armado. Tambm sero conectados LEP o neutro da concessionria de energia eltrica e o terra de proteo da instalao eltrica de baixa tenso.

13.9. Execuo e acompanhamento do projeto do SPDA. obrigao do projetista do SPDA inspecionar a obra em que o sistema est sendo instalado. Deve ser verificada a utilizao correta dos materiais, espaamentos e conexes dos elementos utilizados.

Alm disso, existe uma srie de procedimentos de inspees pelos quais um SPDA deve passar aps a sua concluso e posterior operao. Esses procedimentos esto descritos no Captulo 12 desta obra, e tambm na NBR-5.419.

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14. Concluses.

O tema proposto por este trabalho foi desenvolvido de forma didtica e concisa. De uma maneira descomplicada, qualquer engenheiro eletricista que ler esta obra ter os conhecimentos bsicos para projetar um Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas em uma edificao contemplada na norma NBR-5.419.

evidente, no entanto, que a leitura completa da NBR-5.419 tambm se faz necessria j que existem alguns detalhes que no foram abordados nessa obra.

Para sintetizar todo conhecimento abordado, o Captulo 16 desta obra apresenta o projeto do Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas de um edifcio feito de acordo com as informaes aqui apresentadas.

De uma maneira geral, pode-se dizer que este Trabalho de Concluso de Curso cumpriu com os objetivos que foram colocados.

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15. Referncias e bibliografia consultada

1. ABNT-NBR 5419. Proteo de Edificaes contra Descargas Atmosfricas. 2. MAMEDE FILHO, J. Instalaes Eltricas Industriais. 7 Edio. 3. KINDERMAN, G. Descargas Atmosfricas. 1 Edio. 4. VISACRO FILHO, S. Descargas Atmosfricas: Uma abordagem de engenharia. 1

Edio. 5. SUETA, H. E. Uso de componentes naturais de edificaes como parte

integrante do sistema de proteo contra descargas atmosfricas: Uma viso dos danos fsicos. Tese de doutoramento da POLI - USP.

6. Web site do GRUPO DE ELETRICIDADE ATMOSFRICA ELAT. Disponvel em: http://www.inpe.br/webelat/homepage/

7. MINISTRIO DO TRABALHO E EMPREGO DO BRASIL. NR-10 Segurana em Instalaes e Servios em Eletricidade.

8. LEI 8.078 DE 11 DE SETEMBRO DE 1990. Cdigo de Defesa do Consumidor.

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16. Projeto do SPDA do Edifcio Campinas Utilizando-se do conhecimento adquirido nesse trabalho, ser desenvolvido o projeto do Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas do edifcio residencial batizado de edifcio Campinas, localizado no municpio de Ribeiro Preto - SP.

A metodologia utilizada no desenvolvimento deste projeto foi apresentada no Captulo 13 desta obra.

stefani rodrigo verardino de

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