projeto de sistema de proteção contra descargas atmosféricas

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    07-Jan-2017
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    UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

    CENTRO TECNOLGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

    PROJETO DE SISTEMA DE PROTEO CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS

    Prof. Adolar Ricardo Bohn - M. Sc.

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    PROJETO DE PROTEO CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS INTRODUO A instalao de um sistema de proteo contra descargas atmosfricas tem duas funes: PRIMEIRA FUNO: neutralizar, pelo poder de atrao das pontas, o crescimento do gradiente de potencial eltrico entre o solo e as nuvens, atravs do permanente escoamento de cargas eltricas do meio ambiente para a terra.

    SEGUNDA FUNO: oferecer descarga eltrica que for cair em suas proximidades um caminho preferencial, reduzindo os riscos de sua incidncia sobre as estruturas. A instalao de um sistema de proteo contra descargas atmosfricas no impede a ocorrncia de raios. Nem to pouco atrai raios. prefervel no ter pra-raio algum do que ter um pra-raio mal instalado. Um pra-raio corretamente instalado reduz significativamente os perigos e os riscos de danos, pois captar os raios que iriam cair nas proximidades de sua instalao. DEFINIES PRELIMINARES: INDICE CERUNICO - IC ndice cerunico , por definio, o nmero de dias de trovoada, em determinado lugar, por ano. ISOCERUNICAS - so linhas (curvas) que ligam pontos (localidades) que tm o mesmo ndice cerunico.

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    Mapa isocerunico do Brasil

    De acordo com o mapa, em Florianpolis temos um ndice cerunico de 54. DENSIDADE DE RAIOS - DR DR a quantidade de raios que caem por ano em 1 Km

    2 de rea, e calculado pela frmula DR = 0,0024 IC

    1,63 Em Florianpolis: DR = 0,0024 x 54

    1,63 = 1,59 = 1,6 portanto, em 1 Km2, estima-se que caiam 1,6 raios por ano. NIVEIS DE PROTEO E EFICINCIA DE PROTEO O nvel de proteo no est relacionado com a probabilidade de queda do raio na edificao, mas com a eficincia que o sistema tem de captar e conduzir o raio terra. H quatro nveis de proteo que o projetista pode adotar, conforme a tabela:

    PROTEO E EFICINCIA CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS Nvel de Proteo Caractersticas da Proteo Eficincia da Proteo

    I Nvel mximo de proteo 98% II Nvel mdio de proteo 95% III Nvel moderado de proteo 90% IV Nvel normal de proteo 80%

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    CLASSIFICAO DAS EDIFICAES E NVEIS DE PROTEO SEGUNDO A NBR 5419/93 De acordo com os efeitos e danos causados pelos raios, as estruturas podem ser classificadas em: CLASSIFICAO DAS ESTRUTURAS

    ESTRUTURAS TPICAS EFEITOS DOS RAIOS NVEL DE PROTEO

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

    III

    Fazendas Risco primrio de incndio e tenses de passo perigosas. Risco secundrio devido interrupo de energia, e risco de vida a animais devido perda de controle eletrnico de ventilao, suprimento de alimento etc.

    III ou IV

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

    Danos s instalaes eltricas, possibilidade de pnico, falha do sistema de alarme contra incndio.

    II

    Bancos, companhia de seguro, companhia comercial, etc.

    Consequncias adicionais na ligao com a perda de comunicao, falha dos computadores e perda de dados.

    II

    Hospitais, casas de repouso e prises

    Efeitos adicionais s pessoas em tratamento intensivo, dificuldade de resgate de pessoas imobilizadas.

    II

    Indstrias Efeitos adicionais na fabricao, variando de danos pequenos a prejuzos inaceitveis e perda da produo.

    III

    1 ESTUTURAS COMUNS: as preocupaes devem ser com os efeitos na prpria estrutura.

    Museus, locais arqueolgicos Perda de tesouros insubstituveis II 2 ESTRUTURAS COM DANOS CONFINADOS: as preocupaes devem ser com os efeitos na prpria estrutura e com a atividade executada internamente.

    Telecomunicao, usinas de fora, indstria com risco de incndio

    Inaceitvel perda de servios ao pblico por pequeno ou longo perodo de tempo. Perigo s imediaes devido a incndios.

    I

    3 ESTRUTURAS COM PERIGO AOS ARREDORES: as preocupaes devem ser com os efeitos anteriores, mais com os efeitos nas estruturas adjacentes ou de certa regio.

    Refinarias, depsitos de combustveis, fbricas de inflamveis, fbricas de munio

    Consequncias de incndio e exploso da instalao para os arredores.

    I

    4 ESTRUTURAS COM DANOS AO MEIO AMBIENTE: as preocupaes devem ser com os efeitos temporrios ou permanentes no meio ambiente.

    Instalaes qumicas, laboratrios, instalaes nucleares, bioqumicas, etc.

    Fogo e mal funcionamento da fbrica com consequncias perigosas ao local e ao meio ambiente como um todo.

    I

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    REA DE CAPTAO A rea de captao do raio em uma estrutura a rea ao redor de uma edificao, onde, se cair um raio, ele ser atrado pela edificao. Esta rea corresponde soma de duas reas: Scaptao = Sedificao + Scontigua Sedificao = rea da prpria edificao Scontgua = rea de uma faixa ao redor da edificao, com largura constante igual altura da edificao.

    Em edificaes assimtricas a rea de captao obtida pela superposio das reas correspondentes maior altura da edificao.

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    RAIOS INCIDENTES - N a quantidade de raios que incide anualmente numa dada rea de captao. Nraios incidentes = Scaptao x DR Supondo que a edificao da figura esteja em Florianpolis, teremos: Nraios incidentes = 0.00141216Km

    2 x 1,6raios/Km2 . ano Nraios incidentes = 0,0022 raios/ano. De acordo com a NBR 5419/93, se: N 10-3 o SPDA indispensvel (SPDA = sistema de proteo contra descargas atmosfricas) N 10-5 o SPDA dispensvel INDICE DE RISCO - R O ndice de risco depende da combinao da vrios fatores:

    FATOR A: Leva em considerao o tipo de estrutura, rea construda e altura: FATOR A Tipo de estrutura e rea construda

    1 Residncia com A 465m2

    2 Residncia com A > 465m2

    3 Residncias, escritrios ou fbricas com A 2325m2 e h 15m 4 Residncias, escritrios ou fbricas com 15m h 23m 5 Residncias, escritrios ou fbricas com A > 2325m2 ou 23 m h 46m 7 Servios pblicos de gua, bombeiros, polcia, hangares 8 Usinas geradoras, centrais telefnicas, biblioteca, museus, estruturas histricas,

    ou prdios com h 46m 9 Construes de fazendas, abrigos em rea aberta, escolas , igrejas, teatros,

    estdios. 10 Chamins, torres, hospitais, armazns de materiais perigosos.

    FATOR B: Considera o material de construo utilizado: FATOR B Material utilizado

    1 Qualquer estrutura, salvo madeira, com telhado metlico eltricamente contnuo. 2 Estrutura de madeira, com telhado metlico eltricamente contnuo 3 Qualquer estrutura com telhado composto ou no contnuo 4 Estrutura de ao, concreto ou madeira com telhado metlico no contnuo 5 Estrutura no metlica com telhado de madeira ou barro.

    FATOR C: Considera a rea ocupada e a altura das edificaes vizinhas: FATOR C rea ocupada e altura das edificaes vizinhas

    1 rea ocupada 929m2 e estruturas vizinhas mais altas. 2 rea ocupada > 929m2 e estruturas vizinhas mais altas. 4 rea ocupada 929m2 e estruturas vizinhas mais baixas. 5 rea ocupada > 929m2 e estruturas vizinhas mais baixas. 7 Altura maior que as da vizinhana, mas no as ultrapassando de 15m.

    10 Altura maior que 15m em relao aos prdios vizinhos.

    FEDCBAR

    ++++=

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    FATOR D: Considera a topografia: FATOR D Relevo

    1 Plancie 2 Encosta de colinas 4 Topo de colinas 5 Topo de montanha

    FATOR E: Leva em considerao a ocupao da edificao: FATOR E Tipo de ocupao

    1 Materiais no combustveis 2 Mveis residenciais ou similares 3 Animais ou gado bovino 4 Local de reunio com menos de 50 pessoas 5 Material combustvel 6 Local de reunio com 50 pessoas, ou mais 7 Equipamentos ou material de alto valor 8 Servios de gs, gasolina, telefonia, bombeiros, pessoas imobilizadas ou leitos 9 Equipamento de operao crtica

    10 Contedo histrico ou explosivo. FATOR F: Depende do ndice ceranico: FATOR F Indice cerunico

    1 > 70 2 61 a 70 3 51 a 60 4 41 a 50 5 31 a 40 6 21 a 30 7 11 a 20 8 06 a 10 9 < 6

    NIVEL DE RISCO DA EDIFICAO: ndice de Risco - R Nvel de Risco

    0 a 2 Leve 2 a 3 Leve a moderado 3 a 4 Moderado 4 a 7 Moderado a severo > 7 Severo

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    PROTEO POR PRA-RAIO Desde a criao do pra-raio h 200 anos, por Benjamin Franklin, no se avanou muito nesta rea, usando o mesmo dispositivo at hoje. Este dispositivo (pra-raio) consiste na combinao de 3 elementos bsicos: - Captores de raio - Cabos de descida - Sistema de aterramento.

    REGIO ESPACIAL DE PROTEO a zona espacial protegida pelo pra-raio. Se o raio cair nesta zona, ele preferir o caminho atravs do pra-raio. A maior evoluo, desde a descoberta do pra-raio, ocorreu na definio da rea protegida (zona espacial protegida). H trs mtodos de definio da rea protegida: - mtodo da haste vertical de Franklin - mtodo da malha ou gaiola de Faraday - mtodo eletromagntico ou das esferas rolantes.

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    DEFINIO DA REGIO ESPACIAL PROTEGIDA 1 PELA HASTE VERTICAL DE FRANKLIN 1.1. UMA HASTE DE FRANKLIN Recentemente se constatou que o ngulo deve variar em funo do nvel de proteo requerido e da altura da haste.

    ngulos de Proteo Nvel de proteo adotado

    Altura mxima (h) da ponta da haste ao solo, em metros

    20 20 < h 30 30 < h 45 45 < h 60 IV 55 45 35 25 III 45 35 25 * II 35 25 * * I 25 * * *

    *Nestes casos a haste no suficiente, porque a estrutura recebe descargas laterais.

    A rea de proteo o volume encoberto pelo cone

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    1.2. PELO CONDUTOR HORIZONTAL Um condutor horizontal produz o efeito de uma haste da altura do