PROJETOS 1 Celso e Vanessa

Universidade Federal de Uberlândia

FEELT - Faculdade de Engenharia Elétrica

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Projetos Interdisciplinar 1

Sistema de Proteção Contra Descarga Atmosférica SPDA

Professor: José Mário Engenharia Elétrica

Grupo: Celso Rosa de Azevedo Júnior 11121EEL066

Vanessa Shiguemi Caetano de Oliveira 11021EEL066



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Sumário:

Tópico Página 1. Introdução. 04 2. Situação Problema. 04 3. Projeto Técnico SPDA. 08

3.1. Análises Técnicas Levantadas. 08 3.1.2. Índice Ceraúnico (IC). 08 3.1.3. Mapa Isoceraúnico do Brasil. 09 3.1.3.1. Densidade de Raios (DR). 09 3.1.3.2. Parâmetros para definição do Nível e Eficiência

de Proteção Contra Descarga Atmosférica, para respectivas Altura adotadas. 10

3.1.4. Classificação da Estrutura. 10 3.1.5. Cálculo da Área de Captação do Raio na Estrutura. 11 3.1.5.1. Cálculo da Área de Captação do Raio na

Estrutura para o Prédio sem o Estacionamento. 12 3.1.5.2. Cálculo da Estimativa de Raios. 12 3.1.6. Índice de Risco. 12 4. Descrição dos Métodos utilizados no projeto. 13 4.1. Gaiola de Faraday conjugada com Franklin. 13 4.2. Dimensões das quadrículas da gaiola de faraday. 14 4.2.1. Bitola dos cabos das quadrículas da Gaiola de Faraday. 15 4.2.2. Instalação da Malha Superior da Gaiola de Faraday. 15 4.2.3. Distribuição das hastes de Franklin na Gaiola de Faraday Captores. 16 4.2.4. Cabos de Descida. 19 4.2.5. Bitola do Cabo de Descida. 19

4.2.6. Numero de Descidas. 20 5. Centelhamento lateral. 21 6. Sistema de Aterramento. 22

7. Bibliografia. 25



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Figuras Página Figura 01: Região Industrial de Porto Alegre - RS. 04 Figura 02: Perspectivas Isométricas do Hotel e Estacionamento. 07 Figura 03: Mapa Isoceraúnico do Brasil. 09 Figura 04: Esboço para o calculo da área de captação. 11 Figura 05: Exemplo SPDA método Gaiola de Faraday. 14 Figura 06: Perspectiva do Hotel com os captores. 17 Figura 07: Perspectiva do Hotel com a malha superior e os captores 18 Figura 08: Ilustração da haste de aterramento de cobre alinhada. 22 Figura 09: Layout do Aterramento. 24

Tabelas Página Tabela 01: Índice Ceraúnico de Porto Alegre. 08 Tabela 02: Densidade de Raios. 09 Tabela 03: Parâmetros do Nível e Eficiência do SPDA. 10 Tabela 04: Parâmetros do Nível e Eficiência do SPDA, utilizados no projeto. 10 Tabela 05: Classificação da estrutura. 11 Tabela 06: Cálculo da estimativa de raios. 12 Tabela 07: Parâmetros para Índice de Risco. 13 Tabela 08: Dimensões das quadrículas. 14 Tabela 09: Dimensões das quadrículas do projeto. 14 Tabela 10: Bitola dos cabos das quadrículas. 15 Tabela 11: Bitola dos cabos das quadrículas, utilizadas no projeto. 15 Tabela 12: Seções mínimas dos materiais do SPDA. 19 Tabela 13: Seções mínimas dos materiais do SPDA, utilizados no projeto. 20 Tabela 14: Espaçamento Médio dos cabos de Descida. 20 Tabela 15: Espaçamento Médio dos cabos de Descida utilizados no projeto. 20 Tabela 16: Tipos de Eletrodos de aterramento. 23 Tabela 17: Tipo de eletrodo utilizado no projeto. 23



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1. Introdução. Sabemos que descargas atmosféricas são comuns, tendo regiões com maiores e menores índices de incidência. Estas podem causar desde prejuízos materiais até por em riscos seres vivos, quando não há uma devida proteção. Este trabalho consiste na elaboração de um Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas – SPDA, tendo como Referência Normativa NBR5419 da ABNT.

2. Situação Problema. O projeto consiste na elaboração de um SPDA para um Hotel situado na cidade brasileira de Porto Alegre – RS, estando este na área industrial da cidade. Abaixo segue a planta em perspectiva do Hotel, bem como a foto da região que o mesmo será instalado.

Figura 01: Região Industrial de Porto Alegre - RS.



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Figura 02: Perspectivas Isométricas do Hotel e Estacionamento.



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3. Projeto Técnico SPDA.

PROJETO: Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas.

LEGISLAÇÃO NORMATIVA: NBR-5419. ABNT

EMPREENDIMENTO: Hotel/Estacionamento.

CIDADE: Porto Alegre UF: RS PAÍS: Brasil

LOGRADOURO: --- Nº. : ---

BAIRRO (SETOR): Distrito Industrial

CLIENTE: ---

ENG.º. RESPONSÁVEL: Celso Rosa de Azevedo Junior CREA. : ---

Vanessa Shiguemi Caetano de Oliveira CREA. : ---

TÉCNICO RESPONSÁVEL: ---

3.1. Análises Técnicas Levantadas. 3.1.2. Índice Ceraúnico (IC). Parâmetro que indica o número de dias de trovoadas por ano em uma determinada localidade.

Localidade Média

Porto Alegre (RS) 20

Tabela 01: Índice Ceraúnico de Porto Alegre.



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3.1.3. Mapa Isoceraúnico do Brasil.

Figura 03: Mapa Isoceraúnico do Brasil.

Registrando todos os índices ceráunicos em um mapa, e ligando os pontos de igual intensidade, obtemos as linhas de mesmo índice, isto é, índices Isoceráunico.

3.1.3.1. Densidade de Raios (DR).

Quantidade de Raios que caem em uma determinada região durante um período estipulado.

Localidade Índice Ceraúnico (IC) DR=0.0024 (IC)1,63 [raios/ (Km2/ano)]

Porto Alegre (RS) 20 0, 3169

Tabela 02: Densidade de Raios.

Notamos que a incidência de raios por quilometro quadrado por ano na Cidade de Porto Alegre é baixa.



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3.1.3.2. Parâmetros para definição do Nível e Eficiência de Proteção Contra Descarga Atmosférica, para respectivas Alturas adotadas.

Tabela 03: Parâmetros do Nível e Eficiência do SPDA.

Dados utilizados para este projeto:

Nível de Proteção

Eficiência de Proteção [%]

Grau de Risco

Tipo de Estrutura

Ângulo do Cone de Proteção [graus]

III 95 Normal Hotel situado

em área Industrial

(sem risco de explosão)

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Tabela 04: Parâmetros do Nível e Eficiência do SPDA, utilizados no projeto.

3.1.4. Classificação da Estrutura.

Para efeito de análise e projeto, as estruturas típicas existentes são classificadas de acordo com os efeitos e danos que possam vir a sofrer por ação de uma descarga atmosférica.



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Dados utilizados para este projeto:

Tabela 05: Classificação da estrutura.

3.1.5. Cálculo da Área de Captação do Raio na Estrutura.

Define-se como área de captação (S) do raio em uma estrutura normal, sem sistema de proteção, como sendo a área em que se ocorrer a incidência do raio o mesmo será atraído pela estrutura.

S captação = S estrutura + S faixa ao redor da estrutura

Figura 04: Esboço para o calculo da área de captação.

Empreendimento Classificação da Estrutura

Hotel / Estacionamento (Região Industrial)

Classificado como Estrutura Comum



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3.1.5.1. Cálculo da Área de Captação do Raio na Estrutura para o Prédio sem o Estacionamento.

S captação área 1= 100*30+2*100*25+2*30*25+3,14(25)2 = 0, 1146 Km2

S captação área 2= 70*30+2*70*25+2*30*25+3,14(25)2 = 0, 0091 Km2

S captação total= S captação área 1 + S captação área 2

S captação total= 0, 1146 + 0, 0091 = 0, 1237 Km2

Dentro desta área calculada se ocorrer incidência de um raio será atraído pela estrutura do prédio.

3.1.5.1.2. Cálculo da Estimativa de Raios.

Como para a região do Hotel temos 20 dias de trovoadas por ano (IC), a quantidade estimada de raios que incide na área de captação é dada por:

S captação [Km2] DR [raios/ (Km2/ano)] N raios incidentes = S captação* DR [raios / ano]

0, 1237 0, 3169 0, 0392

Tabela 06: Cálculo da estimativa de raios.

3.1.6. Índice de Risco (R).

Definido pela norma NFPA78, dependente de uma combinação de vários fatores, definidos abaixo.

(A) Corresponde ao índice relativo ao tipo de estrutura e área total. (B) Corresponde ao enquadramento segundo o tipo de material usado na construção da estrutura.

(C) Corresponde a área de terreno ocupado em comparação com estruturas vizinhas e suas alturas relativas.

(D) Relacionado com a topografia do terreno.

(E) Relacionado com o tipo de ocupação e conteúdo.



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(F) Relacionado com os índices ceráunicos da região.

Fatores Levantados para o Hotel Características do Prédio

A=5 Edifício com área > 2325 m2 e altura 23<h<=46 m.

B=3 Qualquer estrutura com telhado composto ou telhado não continuo.

C=5 Área ocupada > 929 m2 e estruturas da vizinhança mais baixas.

D=1 Planície.

E=6 Local com numero > 50 pessoas.

F=7 Índice Ceraunico 11 a 20.

Área do Hotel 5100 m2

Índice de Risco (R) R=(5+3+5+1+6)/7= 2.86

Nível de Risco Leve a Moderado

Tabela 07: Parâmetros para Índice de Risco.

4. Descrição dos Métodos utilizados no projeto. 4.1. Gaiola de Faraday conjugada com Franklin.

Devido a grande extensão da estrutura, e buscando uma harmonia satisfatória entre proteção eficaz, boa estética e custo benefício do projeto proposto, será empregado o método de Gaiola de Faraday conjugada com Franklin.

O princípio básico da proteção por Gaiola de Faraday é usar os captores de fuga em forma do anel, estes formam malhas ou gaiolas, que tendem a reagir às variações de campos magnéticos.Esta reação se dá pela circulação de corrente induzida no anel, que por sua vez, cria um campo magnético contrário à variação do campo magnético indutor (Lei de Lenz).



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Figura 05: Exemplo SPDA método Gaiola de Faraday.

Ao conjugarmos o método de Franklin com o de Faraday, a malha externa e cumeiras são completadas com hastes de 30 a 50 centímetros, distribuídas uniformemente em todo perímetro.

4.2. Dimensões das quadrículas da Gaiola de Faraday. Segue abaixo a tabela com as dimensões de quadriculas (ou retângulos) para a Gaiola de Faraday, de acordo com o nível de proteção adotado.

Nível de Proteção Retângulos da Gaiola de Faraday

I 5 x 7,5 m

II e III 10 x 15 m

IV 20 x 30 m

Tabela 08: Dimensões das quadrículas.

Dados utilizados para este Projeto:

Nível de Proteção Dimensões dos Retângulos

III 9,94 x 14,7 metros *

Tabela 09: Dimensões das quadrículas do projeto.



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* O intuito de usarmos uma grade retangular de 10 x 14,7 metros e não uma de 10 x 15 metros, é para que as hastes que serão, distribuídas não apareçam, melhorando a estética do SPDA sem prejudicar a funcionalidade do sistema.

4.2.1. Bitola dos cabos das quadrículas da Gaiola de Faraday. Temos as seguinte tabela para a bitola mínima dos cabos que formam a malha da gaiola de faraday, estes são os mesmo valores para os cabos de descida. Como o raio elétrico produz aquecimento no cabo de descida, os limites térmicos do cabo devem ser garantidos pelo dimensionamento adequado da sua bitola.

Nível de proteção Material Seção (mm2)

I - IV

Cobre 16

Alumínio 25

Aço * 50

Tabela 10: Bitola dos cabos das quadrículas.

* Galvanizado a quente.

Dados utilizados para este Projeto:

Nível de proteção Material Seção (mm2)

III Alumínio 25

Tabela 11: Bitola dos cabos das quadrículas, utilizadas no projeto.

4.2.2. Instalação da Malha Superior da Gaiola de Faraday. Há quatro tipos de proceder à instalação da malha projetada: a) grade (malha) suspensa, formando um varal a certa altura da cobertura; b) grade (malha) suspensa a 20 cm da cobertura; c) grade (malha) depositada sobre a cobertura; d) grade (malha) embutida na própria laje da cobertura.



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Adotados para este projeto:

d) grade embutida na própria laje da cobertura.

A fim de facilitar a junção da grade com a estrutura do prédio que será utilizada como descida (substituindo os cabos de descida), na armação metálica da estrutura, uma ponta adicional apenas para efetuar a conexão elétrica, por solda ou brasagem, ou qualquer processo a quente, pode ser deixada facilitando a colocação da malha superior.

Como o empreendimento demanda além da funcionalidade do projeto, uma boa estética, a malha embutida no concreto é a melhor opção.

A probabilidade de ocorrência de raio na lateral é mínima, não sendo necessário uma malha lateral para o projeto em questão.

4.2.3. Distribuição das hastes de Franklin na Gaiola de Faraday. Captores. O método utilizado demanda a conjugação das hastes de Franklin com a malha da gaiola de Faraday. Captor é o elemento metálico que está no ponto mais alto da estrutura. O captor pode ser de bronze, latão, ferro ou aço inoxidável. As hastes (pequenos captores) serão distribuídas com um espaçamento de 2 em 2 metros uma da outra de forma uniforme em toda malha externa, estas são de altura igual a 50 centímetros. Neste projeto utilizaremos 200 pequenos captores conjugados com a gaiola de faraday. Abaixo segue as ilustrações do prédio com os captores e malha superior:



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Figura 06: Perspectiva do Hotel com os captores.



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Figura 07: Perspectiva do Hotel com a malha superior e os captores.

A malha foi exposta somente para ilustração, neste projeto utilizaremos a mesma embutida na laje como na figura 6.



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4.2.4. Cabo de Descida. O cabo de descida tem a função de conduzir o raio desde o captor até o sistema de aterramento. Esta condução deverá ser feita de modo a não causar dano na estrutura protegida, manter aos potenciais abaixo do nível de segurança e não produzir faiscamentos laterais com estruturas metálicas vizinhas. O cabo de descida deve ser preferencialmente contínuo. Se não for possível, usar emendas metalizadas, de secção maior ou igual a do cabo, soldadas com Solda Exotérmicas ou Brasagem liga Phoscopper. A junção com o captor deve ser feita com conexões de aperto (pressão) posteriormente emborrachadas para não evitar oxidação. Adotados para este projeto:

Neste projeto usaremos a própria ferragem da estrutura do prédio eliminando assim os cabos externos que prejudicam a estética.

4.2.5. Bitola do Cabo de Descida. Como o raio elétrico produz aquecimento no cabo de descida, os limites térmicos do cabo devem ser garantidos pelo dimensionamento adequado da bitola, como segue no quadro abaixo.

Nível de proteção

Material Captor

(mm2)

Condutor de descida

Alt. Até 20m (mm2)

Condutor de descida Alt. Superior a 20m (mm2)

Eletrodo de aterramento(mm2)

I-IV

Cobre 35 16 35 50

Alumínio 70 25 70 -

Aço * 50 50 50 80

Tabela 12: Seções mínimas dos materiais do SPDA. * Galvanizado a quente



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Adotados para este projeto:

Captor [mm2]

Condutor de Descida[mm2]

Eletrodo de aterramento [mm2]

Alumínio - 70 Estrutura Metálica do Prédio

Cobre - 50

Tabela 13: Seções mínimas dos materiais do SPDA, utilizados no projeto. A energia do raio é pequena e seu tempo de atuação é também pequeno. Portanto, devido ao raio, o calor gerado dentro do condutor é pequeno, produzindo uma pequena elevação de temperatura, que de modo algum compromete as características físicas e químicas do material do cabo de descida.

4.2.6. Número de Descidas. Quando a corrente do raio flui pelo cabo de descida, é gerado ao seu redor um campo magnético variável que atrai e induz tensão nos materiais condutores vizinhos. A fim de atenuar as correntes induzidas nos materiais condutores vizinhos, deve-se distribuir o cabo de descida. A distribuição divide os efeitos térmicos e também proporciona uma redução nos campos magnéticos internos à estrutura. Esta distribuição é feita de maneira uniforme ao longo do perímetro do prédio protegido, mantendo-se os afastamentos máximos indicados na tabela abaixo.

Nível de proteção Espaçamento médio(m)

I 10

II 15

III 20

IV 25

Tabela 14: Espaçamento Médio dos cabos de Descida. Adotados para este Projeto:

Nível de proteção Espaçamento médio(m)

III 20

Tabela 15: Espaçamento Médio dos cabos de Descida utilizados no projeto.



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As figas de sustentação do prédio que serão utilizados como cabo de descida respeitam esta proporção do quadro acima.

Ainda para diminuir o efeito produzido pela indução magnética, os cabos de descidas devem estar afastados da coluna montante da fiação dos cabos de energia elétrica e telefônicos, descida de antena de rádio e TV. Este afastamento evita tensões induzidas durante a passagem do raio pelo cabo de descida.

Importante:

Como estamos utilizando a própria estrutura do prédio (eliminando os cabos de descida externos) na parte inferior, a ferragem deve estar exposta para ser feita a soldagem ligando-a ao eletrodo de aterramento.

Posteriormente deve ser coberta com material emborrachado, isto é feito para diminuir a corrosão galvânica.

As devidas conexões devem ser de um dos tipos abaixo:

• Solda a eletrodo revestido;

• Solda exotérmica;

• Brasagem com Phoscopper;

5. Centelhamento Lateral.

Buscando evitar o centelhamento, que além do perigo ao ser humano, pode provocar incêndios, uma distância mínima entre o material condutor e o cabo de descida, deve ser tal que verifique a inequação:

D ≥ ki kc L kmaterial

Temos: • D = distância em metros para não haver centelhamento; • L = comprimento efetivo em metros do material condutor paralelo ao cabo de

descida; • K i = coeficiente que depende do nível de proteção desejado. • Kmaterial = Coeficiente que depende da rigidez dielétrica do material existente

entre o cabo de descida e o condutor paralelo. • Kc = Coeficiente que depende da configuração dimensional do cabo de descida.

Como não há nenhum material condutor ao redor do Hotel, não há necessidade de calcularmos D.



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6. Sistema de Aterramento. Sistema de aterramento é o elemento que está intimamente ligado ao solo. Existem diversas configurações que podem ser usadas. Os principais tipos são: . Uma haste vertical.

. Hastes alinhadas.

. Hastes em triângulo.

. Haste em quadrados.

. Haste em círculo.

. Placas de material condutor.

. Fios ou cabos: estendido, em cruz, em estrela quadrícula, formando malha de terra.

Adotados para o projeto:

Hastes alinhadas

Figura 08: Ilustração da haste de aterramento de cobre alinhada.

Hastes: O material das hastes de aterramento deve ter as seguintes características: - baixa resistência elétrica. - inerte às ações dos ácidos e sais dissolvidos no solo. - sofrer a menor ação possível da corrosão galvânica. - resistência mecânica compatível com a cravação e movimentação do solo.



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Abaixo segue uma tabela do tipo de eletrodos comercializados:

Tabela 16: Tipos de Eletrodos de aterramento.

Adotados para o projeto:

Eletrodo de aterramento

Haste de Cobre

Tabela 17: Tipo de eletrodo utilizado no projeto.



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Utilizaremos um total de 20 hastes de aterramento disposta de 20 em 20 metros em todo perímetro do prédio (perímetro igual a 400 metros).

Figura 09: Layout do Aterramento.



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6.1. Resistência de aterramento. A resistência de aterramento é dada pela formula:

R = (ρ / 2πL ) * (ln (400 L/d))

ρ = Resistividade aparente do solo (Ω.m). L = comprimento da haste (m) d = diâmetro do círculo equivalente a área da seção transversal (polegadas). Como não sabemos a resistividade aparente do solo onde será construído o Hotel, este dado será omitido.

7. Bibliografia:

ABNT / NBR 5419 - Proteção de estruturas contra descarga Atmosféricas. Souza, Geraldo Teles – Apostila Máquinas e Comandos Elétricos. KINDERMANN, Geraldo. – Descargas Atmosféricas, edição 2º. www.dcc.ufpr.br/wiki/images/d/db/TC038_SPDA.pdf

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