Sistemas de Proteção Contra Descargas Atmosféricas Utilizando ...

FÁBIO SAWADA BURATTO

SISTEMAS DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS

ATMOSFÉRICAS UTILIZANDO COMPONENTES NATURAIS

DA EDIFICAÇÃO

Londrina

2011


SISTEMAS DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS

ATMOSFÉRICAS UTILIZANDO COMPONENTES NATURAIS

DA EDIFICAÇÃO

Trabalho de Conclusão de Curso de graduação

apresentada ao curso de Engenharia Elétrica da

Universidade Estadual de Londrina como parte

dos requisitos necessários para a obtenção do

título de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Osni Vicente.

Londrina

2011

.


SISTEMAS DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

UTILIZANDO COMPONENTES NATURAIS DA EDIFICAÇÃO

„Este trabalho foi julgado adequado para a

conclusão do curso de Engenharia Elétrica e

aprovado em sua forma final pela

Coordenação do Curso de Engenharia Elétrica

da Universidade Estadual de Londrina‟

BANCA EXAMINADORA

Orientador: Prof. Msc. Osni Vicente

Universidade Estadual de Londrina

Prof. Msc. José Fernando Mangili Júnior


Prof.ª Msc. Juliani Piai


Londrina, 16 de novembro de 2011.

A Deus, pela força e proteção concedida.

A toda a minha família, que sempre me apoiou.

Aos meus grandes amigos do curso.

AGRADECIMENTOS

Agradeço inicialmente a Deus, por toda força, proteção e luz durante esta jornada. A

toda a minha família, em especial meus pais e meus irmãos, cuja confiança e apoio nunca me

foram negados.

Ao professor Osni Vicente, pela motivação e suporte dado durante a realização deste

trabalho. Ao colega de turma Renato Ogasawara, Luiz Zeni e ao técnico Anderson,

companheiros de “concretagem” de várias tardes.

Aos grandes amigos que eu fiz no curso: Thiago Bittencourt, Henrique, Takeo,

Renan, Caio, Mazzo, por todas as madrugadas estudando, mas principalmente pelo

companheirismo e amizade que encontrei neles. Aos amigos que fiz na 3E-UEL, organização

que me propiciou grande aprendizado e à qual sou muito grato.

Agradeço ao Engenheiro Arthur Versoza, da Engebrazil, pelo auxílio no

esclarecimento de diversos pontos duvidosos e pela disposição em ajudar. Aos professores,

técnicos, funcionários do CTU que contribuíram para a minha formação e todos aqueles que

ajudaram para a realização deste trabalho.

Por fim, agradeço a Paula, grande companheira, por todo carinho e compreensão

demonstrados.

“Aquele que não luta pelo que quer, não merece o que deseja”.

(Autor Desconhecido)

BURATTO, Fábio Sawada. Sistemas de Proteção contra descargas atmosféricas

utilizando componentes naturais da edificação. 2011. Monografia (Trabalho de Conclusão

de Curso) – Engenharia Elétrica – Universidade Estadual de Londrina. 2011.

RESUMO

Fenômeno muito comum na natureza, as descargas atmosféricas constituem um tema

de extrema complexidade, principalmente tendo em conta a austeridade de seus efeitos

destrutivos. O presente estudo traz como objetivo analisar os métodos, as ferramentas e os

empecilhos para se dimensionar um sistema de proteção contra descargas atmosféricas

(SPDA) de forma eficiente e satisfatória, focando os sistemas que utilizam das partes

metálicas da estrutura como meios de escoamento das correntes oriundas desse fenômeno,

levantando a atual discussão sobre o tema e as vantagens do mesmo. Utilizando como

parâmetro a ANBT NBR 5419:2005, serão apresentados estudos de casos analisando a

aplicação das estruturas no SPDA de duas diferentes edificações, verificando seus projetos,

instalações e respectivas eficácias quanto à proteção apresentada. Visando uma melhor

compreensão dos assuntos abordados, serão estudados conceitos do fenômeno de descargas

atmosféricas e os critérios utilizados na NBR 5419:2005 para elaboração de um SPDA.

Palavras-chave: 1. Segurança 2. SPDA 3. Aterramento estrutural

BURATTO, Fábio Sawada. Lightning Protection System using natural componentes of

the building. 2011. Monograph (Conclusion Course Paper) – Electrical Engineering – State

University of Londrina. 2011.

ABSTRACT

Phenomenon commonly seen in nature, lightning is an extremely complex issue,

particularly given the austerity of their destructive effects. The present study intended to

examine the methods, tools and the obstacles to scale a lightning protection system (LPS) in

an efficient and satisfactory way, focusing on systems that use the metal parts of the structure

as a means of disposal of current arising from this phenomenon, raising the current discussion

on the subject and the advantages thereof. Utilizing the ABNT NBR 5419:2005, case studies

are presented examining the application of LPS structures in two different buildings, checking

their projects, facilities and their effectiveness in protecting presented. Aiming at a better

understanding of the issues addressed, the concepts of lightning phenomenon will be studied

and the criteria used in NBR 5419:2005 for the preparation of an LPS.

Keywords: 1. Security 2. LPS 3. Ground structure

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 2. 1 - Descarga Atmosférica ............................................................................................ 3

Figura 2. 2 - Corrente de uma descarga medida na estação do Morro do Cachimbo ................. 4

Figura 2. 3 - Campo induzido entre nuvem e solo pelo carregamento da base da nuvem ......... 6

Figura 2. 4 - Canal ascendente e descendente ............................................................................ 6

Figura 2. 5 - Conexão dos canais ascendentes e descendentes ................................................... 7

Figura 2. 6 – Onda de tensão induzida medida em linha de distribuição experimental ............. 8

Figura 2. 7 - Mapa de curvas isocerâunicas do Brasil .............................................................. 11

Figura 3. 1 - Mapa isocerâunico do estado do Paraná .............................................................. 18

Figura 3. 2 - Delimitação da área de exposição equivalente (Ae) - Estrutura vista de Planta.. 19

Figura 3. 3 - Cone de proteção pelo Método de Franklin ......................................................... 24

Figura 3. 4 - Exemplo do modelo da esfera rolante e zoom do local de captação ................... 25

Figura 3. 5 - Conceito da distância R (raio da esfera fictícia) .................................................. 26

Figura 3. 6 - Volume de proteção do captor h<R ..................................................................... 27

Figura 3. 7 - Volume de proteção por um condutor horizontal suspenso ................................ 28

Figura 3. 8 - Malha do método de Faraday sobre a estrutura ................................................... 29

Figura 4. 1 - Captor tipo Franklin ............................................................................................. 32

Figura 4. 2 - Diferentes tipos de emendas a) Com arame; b) Com solda elétrica; c) Com solda

exotérmica; d) Com luva; ......................................................................................................... 37

Figura 4. 3 - Comprimento mínimo dos eletrodos de aterramento em função dos níveis e da

resistividade do solo ................................................................................................................. 40

Figura 4. 4 - Tipos de arranjo no sistema de aterramento ........................................................ 40

Figura 5. 1 - Armadura das fundações preparadas para a interligação das ferragens dos pilares

.................................................................................................................................................. 48

Figura 5. 2 - Descida externa na estrutura ................................................................................ 49

Figura 6. 1 - Edifício Garden Araucária ................................................................................... 51

Figura 6. 2 - Parte superior do edifício - detalhe para o sistema de captação .......................... 53

Figura 6. 3 - Captor tipo Franklin ............................................................................................. 54

Figura 6. 4 - Terminal Aéreo de 35 cm .................................................................................... 54

Figura 6. 5 - Parte superior do edifício, com destaque para os captores verticais. ................... 55

Figura 6. 6 - Planta da Cobertura, com destaque para a localização dos captores verticais ..... 55

Figura 6. 7 - Detalhe para conexão na estrutura do captor vertical .......................................... 56

Figura 6. 8 - Detalhe do aterramento da antena ........................................................................ 56

Figura 6. 9 - Detalhe da conexão para o aterramento do rufo .................................................. 57

Figura 6. 10 - Planta baixa estrutural indicando os locais dos condutores de descida ............. 57

Figura 6. 11 - Detalhe da instalação dos condutores de descida .............................................. 58

Figura 6. 12 - Trespasse da ferragem da armadura para descida natural – 1) conector tipo

grampo; 2) conector Split bolt; 3) solda exotérmica; 4) arame recozido; ................................ 60

Figura 6. 13 - Detalhe da barra adicional de descida do pilar .................................................. 61

Figura 6. 14 - Opção de emenda utilizando clip galvanizado .................................................. 61

Figura 6. 15 - Detalhe da amarração dos anéis intermediários ................................................. 62

Figura 6. 16 - Amarração das ferragens dos pilares com outras ferragens ............................... 62

Figura 6. 17 - Conexão das ferragens do pilar com a ferragem do baldrame e do tubulão ...... 63

Figura 6. 18 - Detalhe em corte da ligação da ferragem do pilar com a da fundação .............. 64

Figura 6. 19 - Detalhe do Quando de DPS/BEP ....................................................................... 65

Figura 6. 20 - Visualização da área de proteção - Esfera com raio de 45 m ............................ 66

Figura 6. 22 - Detalhe da conexão do captor do SPDA com a cordoalha na platibanda da

cobertura ................................................................................................................................... 69

Figura 6. 23 - Fixação do cabo na telha através das hastes de fixação da própria telha........... 69

Figura 6. 24 - Detalhe da descida utilizando barra chata.......................................................... 70

Figura 6. 25 - Clarabóias na cobertura ..................................................................................... 70

Figura 6. 26 - Foto dos Captores utilizados na Expansão II ..................................................... 71

Figura 6. 27 - Detalhe do aterramento da sapata / estaca ......................................................... 71

Figura 6. 28 - Detalhe para os pilares centrais - aterramento da estrutura metálica da cobertura

.................................................................................................................................................. 72

Figura 6. 29 - Detalhe da conexão do captor até as ferragens do pilar ..................................... 73

Figura 6. 30 - Captores sobre a Caixa d'agua ........................................................................... 74

Figura 6. 31 - Antenas necessitando de aterramento ................................................................ 74

Figura 6. 32 - Trechos de condutores com isoladores soltos .................................................... 75

Figura 6. 33 - Trechos com cabos pendurados nos condutores de SPDA ................................ 75

LISTA DE TABELAS

Tabela 2. 1 - Índice típico de densidade de descargas em algumas regiões ............................. 10

Tabela 3. 1 - Nível de proteção e eficiência de um SPDA ....................................................... 15

Tabela 3. 2 - Exemplo de classificação das estruturas ............................................................. 17

Tabela 3. 3 - Fator A: Tipo de ocupação da estrutura .............................................................. 20

Tabela 3. 4 - Fator B: Tipo de construção da estrutura ............................................................ 21

Tabela 3. 5 - Fator C: Conteúdo da estrutura e efeitos indiretos das descargas atmosféricas .. 21

Tabela 3. 6 - Fator D: Localização da Estrutura ....................................................................... 21

Tabela 3. 7 - Fator E: Topografia da Região ............................................................................ 21

Tabela 3. 8 - Ângulo de proteção do método Fraklin ............................................................... 23

Tabela 3. 9 - Variação da tangente de acordo com o Nível de proteção .................................. 24

Tabela 3. 10 - Distância R em função da crista da corrente do raio ......................................... 26

Tabela 3. 11 - Dimensões da malha pelo método Faraday ....................................................... 29

Tabela 4. 1 - Espessuras mínimas dos componentes do SPDA ................................................ 34

Tabela 4. 2 - Seções mínimas das descidas do SPDA .............................................................. 35

Tabela 4. 3 - Espaçamentos máximos conforme nível de proteção ......................................... 36

Tabela 4. 4 - Materiais do SPDA e condições de aplicação ..................................................... 43

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO .............................................................................................................................. 1

DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ..................................................................................................... 3

2.1 Histórico ............................................................................................................................ 3

2.2 Conceito Básico ................................................................................................................ 4

2.3 Formação de raios ............................................................................................................. 5

2.4 Tensão Induzida por Descargas Atmosféricas .................................................................. 7

2.5 Parâmetros de Frequência de Ocorrência de Descargas ................................................... 9

2.6 Aspectos de Segurança ................................................................................................... 11

2.6.1 Acidentes típicos associados a descargas atmosféricas............................................ 12

PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ............................................................................................ 14

3.1 Níveis de Proteção .......................................................................................................... 14

3.2 Método do Nível de Proteção ......................................................................................... 15

3.3 A Escolha do Nível de Proteção ..................................................................................... 16

3.4 Avaliação do Risco de Exposição ................................................................................... 18

3.5 Métodos de Proteção ....................................................................................................... 22

3.5.1 Modelo Franklin ....................................................................................................... 23

3.5.2 Modelo Eletrogeométrico ......................................................................................... 25

3.5.3 Gaiola de Faraday..................................................................................................... 28

3.5.4 Escolha do método ................................................................................................... 29

SUBSISTEMAS DO SPDA ........................................................................................................... 31

4.1 Subsistema de Captores .................................................................................................. 31

4.1.1 Captores Naturais ..................................................................................................... 33

4.2 Subsistemas de Descidas ................................................................................................ 34

4.2.1 Materiais e Dimensões para as descidas .................................................................. 35

4.2.2 O Re-Bar .................................................................................................................. 38

4.3 Subsistemas de Aterramento ........................................................................................... 39

4.3.1 Eletrodos naturais. .................................................................................................... 41

4.4 Materiais ......................................................................................................................... 43

ESTRUTURAS METÁLICAS DA EDIFICAÇÃO NO SPDA ............................................................ 44

5.1 Discussão sobre a utilização da Estrutura ....................................................................... 45

5.2 Restrições da Estrutura de Concreto ............................................................................... 46

5.3 Vantagens em se Utilizar a Estrutura .............................................................................. 48

ESTUDOS DE CASO ................................................................................................................... 51

6.1 Edifício Residêncial Garden Araucária .......................................................................... 51

6.1.1 Dados da construção................................................................................................. 51

6.1.2 Memorial de Cálculo ................................................................................................ 52

6.1.3 Detalhes de Projeto................................................................................................... 53

6.1.4 Análise do Projeto .................................................................................................... 66

6.2 Shopping center de grande porte .................................................................................... 67

6.2.1 Dados da construção................................................................................................. 67

6.2.2 Memorial de Cálculo ................................................................................................ 67

6.2.2 Detalhes de Projeto................................................................................................... 68

6.2.3 Análise do Projeto .................................................................................................... 73

CONCLUSÕES ............................................................................................................................ 77

BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................................... 79

1

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

O tema Descargas Atmosféricas apresenta certa complexidade, tanto no que diz

respeito à sua natureza física quanto aos seus efeitos destrutivos. Suas consequências geram

grande impacto para a sociedade, podendo variar entre incêndios em florestas e campos,

destruição parcial de estruturas, interferência em sistemas de comunicação e dados, acidentes

em aviões, interrupção de fornecimento de energia elétrica e, direta ou indiretamente,

causando a morte de centenas de pessoas (INPE, 2011).

Diversos estudos são realizados para se descobrir a natureza elétrica das descargas

atmosféricas e assim obter parâmetros confiáveis de proteção para estruturas, propriedades,

equipamentos, objetos e principalmente para as pessoas. Mas, como existe muita informação

desconhecida sobre as descargas atmosféricas, ainda não há um sistema que possibilite uma

proteção completa.

Um Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) tem por objetivo

básico evitar a incidência direta de raios na estrutura a ser protegida, através da constituição

de pontos preferenciais de incidência para as descargas que eventualmente atingiriam a

estrutura na ausência do sistema. Para isso, além de captar a eventual descarga atmosférica, o

SPDA deve ser capaz de direcionar o fluxo da corrente associada diretamente para o solo,

segundo percursos definidos, constituído pelos condutores do sistema de proteção (VISACRO

FILHO, 2005).

A decisão de utilizar um sistema de proteção contra descargas atmosféricas em uma

estrutura pode ser uma exigência legal (em códigos de obras municipais), uma precaução do

proprietário para evitar prejuízos ou ainda uma exigência das companhias de seguro, já que os

raios são causas de danos físicos e incêndios. (COUTINHO; ATOÉ, 2003)

No que diz respeito à segurança predial, especificamente na parte elétrica, pode-se

citar as normas técnicas NBR 5410:2004 e a NBR 5419:2005, tratando sobre instalações

elétricas de baixa tensão e proteção de estruturas contra descargas atmosféricas,

respectivamente. A NBR 5419:2005 estabelece uma série de critérios para o desenvolvimento

de um projeto de SPDA. Esta norma divide em três partes os componentes de um SPDA:

subsistema de captação, subsistema de descida e subsistema de aterramento (NBR

2

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO

5419:2005). Além das normas brasileiras, existem diversas normas internacionais que têm

estabelecido nos últimos anos uma série de novos critérios, como por exemplo, a IEC 61024-

1-2 e os documentos ASE 4022, ANSI/IEEE std. 142, S 6651.

Como componente do SPDA, a norma permite a utilização de partes metálicas

embutidas nas colunas e vigamento das edificações como meio de escoamento das correntes

oriundas das descargas. A utilização de condutores embutidos no concreto é um tema

polêmico, dividindo a opinião entre as engenharias civil e elétrica.

Apesar da existência de uma norma brasileira sobre sistemas de proteção contra

descargas atmosféricas (sendo sua última revisão em 2005), normatizar a utilização de

estruturas metálicas, surgem algumas questões de interesse:

Quais são os riscos e as vantagens de se utilizar a estrutura como parte do sistema de

proteção?

Existe um verdadeiro conhecimento da norma, por parte de projetistas e profissionais

da área?

Como estão sendo projetados esses sistemas e como eles realmente estão sendo

executados em diferentes tipos de edificações?

Este trabalho tem como objetivo levantar orientações técnicas e práticas para

implantação de Sistemas de Proteção contra Descargas atmosféricas, utilizando como

embasamento a norma técnica ABNT NBR 5419:2005. Para isso, serão estudados conceitos

sobre descargas atmosféricas, suas características, efeitos e peculiaridades. Analisar-se-ão

também dois tipos de edificações onde já existe o SPDA, sendo verificado in loco as

aplicações da norma e como as estruturas metálicas são utilizadas nessas construções.

Para atingir os objetivos descritos, este trabalho inicialmente irá abordar o fenômeno

das descargas atmosféricas, no Capítulo 2. Em seguida, no Capítulo 3 irá discorrer sobre os

métodos, níveis de proteção e avaliação de riscos de uma estrutura. O Capítulo 4 irá descrever

os subsistemas pelos quais o SPDA é composto. O Capítulo 5 abordará a utilização das

estruturas metálicas no SPDA e a discussão atual sobre o tema. No Capitulo 6, a análise de 2

estudos de casos, com edificações de diferentes fins, onde será verificado como o SPDA foi

implementado nessas estruturas e se as mesmas estão de acordo com a norma técnica.

3

CAPÍTULO 2

DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

2.1 HISTÓRICO

Apesar do fenômeno das descargas atmosféricas (FIGURA 2.1) sempre ter causado

transtornos ao logo da história, somente no século XVII, foram iniciadas pesquisas tentando

obter informações sobre as características elétricas dos raios. Nos EUA e na Europa, foram

realizadas experiências para demonstrar o caráter elétrico dos raios, mostrando a possibilidade

de captação das descargas atmosféricas (BENITEZ, 2006).

Figura 2. 1 - Descarga Atmosférica

Fonte: Arquivo pessoal

A fim de provar que os raios são descargas elétricas da natureza, o americano,

cientista e inventor Benjamin Franklin foi precursor de uma famosa experiência ao obter

faíscas entre um fio metálico de uma pipa que ele fez voar durante uma tempestade e objetos

metálicos aterrados. Foi com base neste experimento que Franklin inventou o para-raios. Em

seus escritos, Franklin relata que tinha conhecimento sobre os perigos e os métodos

alternativos para se provar o caráter elétrico dos raios, embora atualmente tenha sido

questionado se o famoso cientista realizou realmente a sua experiência como relata, pois de tal

forma seria fatal.

4

CAPÍTULO 2. DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Franklin propôs, pela primeira vez, um método de proteção contra raios de um

edifício: colocando-se uma ponta metálica 2,5 a 3,0 metros acima da casa e em contato com a

terra, onde ela deveria conduzir a descarga para a terra, sem que o edifício sofra danos. Está é

à base do sistema de proteção conhecido hoje como método Franklin.

A partir de então os estudos sobre sistemas de proteção contra descargas

atmosféricas passaram a ser mais explorados e aprofundados. Atualmente existem três

métodos para se implantar um SPDA: o método Franklin (em homenagem ao inventor do para

raios), o modelo Eletrogeométrico e o método de Faraday, sendo que, a utilização de um dos

métodos acima definirá o nível de proteção do sistema.

2.2 CONCEITO BÁSICO

A descarga atmosférica, também conhecida como raio, consiste numa intensa

descarga elétrica que ocorre na atmosfera. Trata-se de um fenômeno complexo, que se

expressa através do fluxo de uma corrente impulsiva de alta intensidade e curta duração, cujo

percurso de alguns quilômetros parte da nuvem e, em alguns casos, atinge a superfície da

Terra. Para melhor caracterizar este conceito, recorre-se à figura 2.2, onde é mostrado o

registro da onda de corrente de uma descarga real entre nuvem e solo.

Figura 2. 2 - Corrente de uma descarga medida na estação do Morro do Cachimbo

Fonte: Visacro Filho (2005)

Verifica-se que neste caso apresentado, a onda de corrente medida tem sinal de

intensidade negativa, indicando o fluxo de cargas negativas para o solo. O formato impulsivo

da onda também é perceptível na figura. Ocorre que, na fração de microssegundos, a corrente

atinge seu valor máximo, conhecido como valor de pico ou de crista, na ordem de 75.000 A,

5


onde, a partir daí, reduz seu valor mais lentamente, atingindo a faixa de 1.000 A

aproximadamente em 500 microssegundos, extinguindo-se totalmente após alguns décimos de

segundo. O valor médio da crista da corrente, de forma geral, pode variar entre 30 kA e 50

kA, dependendo do local da ocorrência. O percurso da corrente pode ter uma extensão

variada, dependendo da natureza da descarga. Usualmente, em uma descarga entre nuvem e

solo, o percurso visível varia de 1 a 3 km, sendo que seu trajeto total pode superar 10 km

(VISACRO FILHO, 2005).

2.3 FORMAÇÃO DE RAIOS

As descargas atmosféricas originam-se frequentemente nas nuvens de tempestades,

conhecida como nuvem Cumulonimbus (INPE, 2011) (VISACRO FILHO, 2005) e podem ser

classificadas em função dos pontos entre os quais a corrente elétrica flui, podendo ocorrer:

Da nuvem para o solo;

Do solo para a nuvem

Entre nuvens;

No interior da nuvem (intra-nuvem);

Da nuvem para estratosfera;

De acordo com os dados da Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas

Atmosféricas (RINDAT), de todos os tipos de descargas, as intra-nuvem são as mais

frequentes, devido ao fato de que a capacidade isolante do ar diminuir com a altura em função

da diminuição da densidade do ar e também devido às regiões de cargas opostas dentro da

nuvem estarem mais próximas que no caso dos outros relâmpagos. Globalmente, elas

representam cerca de 70% do número total de descargas. Este percentual varia com a latitude

geográfica, sendo em torno de 80-90% em regiões próximas ao equador geográfico e em torno

de 50-60% em regiões de médias latitudes.

Serão abordadas neste trabalho as descargas nuvem-solo, devido ao seu caráter

destrutivo. Elas podem ser divididas em dois tipos, definidas em função do sinal da carga

efetiva transferida da nuvem ao solo: negativas (que correspondem a certa de 90% dos raios) e

positivas.

6


A descarga negativa ocorre quando o campo elétrico (FIGURA 2.3), produzido pelas

cargas da nuvem e pelas cargas opostas induzidas na superfície da terra excede a capacidade

isolante do ar, também conhecida como rigidez dielétrica. O processo se inicia com fracas

descargas na região de cargas negativas dentro da nuvem, que se deslocam em direção ao

centro inferior de cargas positivas ao longo de um período de cerca de dez milissegundos,

denominado período de quebra de rigidez preliminar (RINDAT, 2011).

Tem-se início então os chamados canais de descarga descendente, ou líder

descendente, com o rápido movimento de elétrons de uma região de cargas negativas para

uma de cargas positivas.

Este líder descendente segue um caminho em etapas, cada uma delas percorrendo de

30 a 100 m, em busca do trajeto mais fácil para a formação do canal.

Figura 2. 3 - Campo induzido entre nuvem e solo pelo carregamento da base da nuvem

Fonte: Prazeres (2007)

Paralelamente a este processo, ocorre outro semelhante originado do solo onde as

cargas positivas são induzidas e formando um canal ascendente em direção à nuvem

(FIGURA 2.4).

Figura 2. 4 - Canal ascendente e descendente


E – Campo elétrico estabelecido

entre nuvem e solo

7


Tem-se então o processo de conexão do canal que possibilita a descarga (FIGURA

2.5). No momento em que os canais estão a uma distância mínima crítica, ocorre uma

descarga final que interliga os canais e onde é estabelecida uma corrente, chamada de corrente

de retorno (SILVEIRA, 2006).

Figura 2. 5 - Conexão dos canais ascendentes e descendentes


O aquecimento intenso gerado devido ao fluxo de corrente pelo canal ionizado, com

temperaturas superiores a 3.000 ºC resulta num efeito luminoso intenso, o relâmpago, e na

expansão muito rápida do ar circunvizinho ao canal, com o deslocamento de uma onda sonora

no ar, o trovão (VISACRO FILHO, 2005).

2.4 TENSÃO INDUZIDA POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

A corrente de retorno, que flui pelo canal ionizado constituído entre nuvem e solo

durante o estabelecimento da descarga atmosférica, promove tensões induzidas em corpos

próximos ao ponto de incidência. Tais tensões constituem a principal fonte de danos nas

linhas de distribuição de energia e em circuitos de baixa tensão em geral, incluindo as redes

de telecomunicações. Constituem, ainda, a origem de interferência eletromagnética em

sistemas e equipamentos, que, em muitos casos, resulta na corrupção de dados transmitidos

em sistemas de comunicação através de sistemas elétricos.

Em temporadas de chuvas, pode ocorrer a queima de transformadores nos sistemas

de distribuição e danos em equipamentos sensíveis de unidades consumidoras. Tais danos são

usualmente causados por surtos de tensão, associados a tensões induzidas por descargas,

8


introduzindo nas unidades consumidoras através dos condutores dos sistemas de alimentação

de energia e de comunicação.

O fenômeno tensão induzida é complexo e muitos fatores influenciam em sua

intensidade e sua forma. Após a conexão dos canais ascendente e descendente, passa a fluir

uma corrente muito elevada pelo canal de descarga. Tal corrente estabelece um campo

eletromagnético intenso nas proximidades do canal, que se propaga a partir dali. Ao incidir

sobre linhas próximas, o campo estabelece uma onda de tensão entre a linha e o solo ou entre

os condutores da linha, notadamente percebida entre fase e neutro.

Na linha de transmissão, associada à onda de tensão, é também estabelecida uma

onda de corrente. Ambas as ondas se propagam ao longo da linha. Para descargas próximas à

linha, a amplitude destas tensões não raramente ultrapassa a ordem de 100 kV, alcançando

valores suficientes para promover a ruptura do isolamento de redes elétricas de média e baixa

tensão. Para fins de ilustração, a figura 2.6 mostra uma onda real de tensão induzida entre fase

e neutro em uma linha de distribuição experimental. A tensão foi gerada por uma descarga

atmosférica induzida por foguete, cuja corrente de retorno indicada alcançou um valor de pico

de 23 kA (BARKER et al, 1996).

Figura 2. 6 – Onda de tensão induzida medida em linha de distribuição experimental

Fonte: Barker et al (1996)

A compreensão do mecanismo de estabelecimento da tensão induzida em linhas por

descargas atmosféricas pressupõe a abordagem de duas questões fundamentais, ambas de

9


natureza complexa: a distribuição do tempo e no espaço da corrente de retorno e o

acoplamento eletromagnético entre o canal de descarga e a linha.

A distribuição da corrente ao longo do canal e a evolução desta no decorrer do tempo

são determinantes da amplitude e forma da tensão induzida, na medida em que tais aspectos

definem o campo eletromagnético que, ao incidir próximas as linhas, é responsável pelo

estabelecimento da tensão induzida. Para descrever os dois aspectos foram desenvolvidos os

chamados Modelos de Corrente de Retorno.

Conhecida a distribuição de corrente, para se determinar o campo eletromagnético

gerado nas imediações do canal, usualmente considera-se o canal constituído por uma

sequencia de elementos filamentares de corrente, de comprimento definido. Em princípio,

admite-se a variação da amplitude e forma da onda corrente ao longo do canal, de acordo com

a indicação do modelo de corrente de retorno adotado. Cada elemento atua como uma fonte

de campo, que contribui para o campo total estabelecido em qualquer ponto próximo. Assim,

a distribuição deste campo no espaço pode ser obtida através da superposição dos efeitos

gerados por todos os elementos de corrente que constituem o canal.

Na existência de corpos condutores longos (como as linhas aéreas) estendidos nas

proximidades do ponto de incidência, os campos gerados são capazes de estabelecer tensões

induzidas nesses corpos. O acoplamento eletromagnético entre a linha e o canal de descarga

(ao longo do qual se localizam os elementos filamentares de corrente que constituem as fontes

de campo) é que determina a forma de interação entre ambos e, por conseguinte, define a

amplitude e o formato da tensão induzida na linha pela descarga. A interação entre o canal e a

linha para estabelecimento desta tensão é descrita pelos designados Modelos de Acoplamento

(SILVÉRIO FILHO, 2005).

2.5 PARÂMETROS DE FREQUÊNCIA DE OCORRÊNCIA DE DESCARGAS

Uma informação importante, no que se refere à frequência em que ocorre o

fenômeno das descargas atmosféricas em um determinado local, é a densidade de descarga

local, representada pelo símbolo Ng, que estabelece uma medida do número médio de

descargas que incidem no solo por ano, sendo dado por “descargas / km² / ano” e se refere ao

número de descargas atmosféricas plenas.

A distribuição de chuvas na região, a latitude, o relevo local, são alguns dos muitos

fatores que influenciam o valor do parâmetro de frequência. Regiões montanhosas e altas, ou

10


áreas com alto índice de precipitação, apresentam elevados índices de densidade de descarga,

se comparados às regiões baixas adjacentes.

Consequentemente, o índice de densidade varia de uma região geográfica para outra.

A tabela 2.1 mostra valores típicos de densidade de descargas em algumas regiões do planeta:

Tabela 2. 1 - Índice típico de densidade de descargas em algumas regiões

Local Valor típico de Ng (faixa)

Alemanha 1 -1,5

Áustria ~1,5 (1 - 6)

França ~1,7 (0,5 - 5)

Itália ~1,5 (1 - 5)

Austrália 0,2 - 4

África do Sul ~4,0 (0,4 - 14)

Estados

Unidos ~2,0 (0,1 - 14)

México 1 - 10

Brasil 4 (1 - 12)

Fonte: Visacro Filho (2005)

No Brasil, os valores médios de densidade de descargas são elevados,

particularmente em relação àqueles de países localizados nas zonas temperadas. Isso traduz

uma condição usual de maior solicitação de descargas. A figura 2.7 ilustra a distribuição de

dias de trovoada no Brasil.

A partir destes dados, é possível obter o valor de densidade de uma determinada

região através da seguinte equação:

(2.6)

Onde Td é a quantidade de dias de trovoadas / ano (NBR 5419, 2005).

11


Figura 2. 7 - Mapa de curvas isocerâunicas do Brasil

Fonte: NBR 5419:2005

Embora tal mapa não contemple detalhes, expressando apenas estimativas de valores

médios por macrorregião, ele apresenta como atrativo uma perspectiva integral da distribuição

de descargas no país.

2.6 ASPECTOS DE SEGURANÇA

Os riscos à segurança de seres vivos em decorrência da incidência de descargas

atmosféricas são preocupantes. No Brasil não existem estatísticas oficiais sobre o número de

mortes por descarga, mas estima-se que a cada ano entre 100 e 300 pessoas sejam mortas,

devido à incidência de descargas. No caso da França, por exemplo, os dados apontam um

número médio da ordem de 15 mortes por ano devido a descargas (ANDREWS et al, 1996).

Considerando-se as diferenças entre as áreas territoriais, entre as densidades demográficas e

12


entre os índices de incidência de descargas locais, parece razoável uma expectativa superior a

150 mortes por ano no Brasil.

É possível minimizar esse número de acidentes se forem entendidas as situações

críticas de exposição a riscos por descargas, apesar da sua natureza aleatória, identificados os

mecanismos que determinam a morte e forem projetadas medidas preventivas adequadas.

2.6.1 Acidentes típicos associados a descargas atmosféricas

As mortes ou ferimentos causados pelas descargas decorrem do fluxo de corrente

pelo corpo humano. É possível caracterizar as ocorrências típicas que determinam a

circulação da corrente de descarga (ou parcela da mesma) pelo corpo. Tais acidentes podem

ser separados em dois tipos: aqueles associados à incidência direta de descargas e aqueles em

que a corrente de uma descarga próxima é transmitida por um corpo condutor e submetem

seres posicionados a alguma distância do ponto de incidência. Muitas vezes, condutores de

redes de energia e comunicação e corpos metálicos longos, como cercas de arame, são

responsáveis por tal transferência de corrente. Algumas situações típicas de acidentes por

descarga, associados à incidência direta, serão comentadas em seguida.

Descarga Direta: na incidência de uma descarga direta sobre um ser humano,

valores muito elevados de corrente impulsiva podem circular pelo corpo da

vítima. A corrente se distribui parcialmente pelo interior do corpo (corrente

volumétrica) e parcialmente pela superfície do mesmo.

Descarga Lateral: quando uma descarga incide sobre objetos elevados, durante o

percurso para o solo a corrente de retorno pode procurar caminhos de menor

impedância, onde é comum ocorrerem descargas elétricas no ar, fechando um

circuito entre árvores atingidas e o corpo de pessoas e animais abrigados sobre

estas.

Descargas por contato: ocorre quando a vitima está em contato direto com um

corpo que constitui caminho de eventual corrente de descarga, no percurso da

mesma para o solo. Neste caso, uma parte da corrente pode ser drenada para o

solo através do corpo da vítima.

Descarga para múltiplos pontos: atribuída a um tipo de ocorrência, que acomete

simultaneamente diversas vítimas, incluindo descarga direta para mais de uma

13


vítima, e usualmente descargas laterais para vítimas próximas daquelas atingidas

diretamente.

Acidente por tensão de passo: ao incidir em estruturas elevadas, em corpos e

objetos em geral a corrente de descarga é injetada neste meio, sendo ali

dispersada. Ao se distribuir no solo, a corrente promove uma elevação de

potencial no solo que estabelece uma distribuição de potenciais na superfície

deste, que pode submeter pessoas e animais eventualmente próximos ao local.

Uma pessoa pode ficar submetida à diferença de potencial por ter contato com o

solo em dois pontos que possuem potenciais diferentes, promovendo então o

percurso de corrente pelo corpo e, eventualmente, ocasionar parada

cardiorrespiratória.

14

CAPÍTULO 3

PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS

A decisão de se proteger uma estrutura contra os raios pode ser uma exigência legal,

uma precaução do proprietário para evitar prejuízos ou ainda uma exigência das companhias

de seguro, já que os raios são causas de danos físicos e incêndios. As normas, em especial a

ABNT NBR 5419:2005, devem fornecer subsídios para os legisladores, agentes de seguro e

proprietários decidirem quando há necessidade de proteção. Podem-se destacar duas funções

principais dos para-raios:

Reduzir os prejuízos, riscos e danos causados por descargas atmosféricas.

Neutralizar a descarga atmosférica para a terra.

Neste capítulo, serão abordados os níveis de proteção para diversos tipos de

estruturas, seus níveis de eficiência e os efeitos das descargas atmosféricas em estruturas.

Além disso, será abordado também o método normalizado pela NBR 5419:2005 para

determinar se uma estrutura necessita ou não de um SPDA e como determinar o nível de

proteção para o sistema que atuará em uma determinada estrutura.

3.1 NÍVEIS DE PROTEÇÃO

O grau de eficiência requerido de um SPDA em determinadas aplicações, e/ou a

probabilidade que esta estrutura apresenta de ser atingida por uma descarga atmosférica são os

parâmetros que definem o nível de proteção de um SPDA. Uma vez seguidos os critérios da

norma ABNT NBR 5419:2005 para cada um dos níveis de proteção, e obedecidos os

dimensionamentos recomendados para as distâncias e para os materiais, estarão definidas as

eficiências globais teóricas esperadas para cada nível de proteção, como pode ser visto na

tabela 3.1:

15

CAPÍTULO 3. PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS

Tabela 3. 1 - Nível de proteção e eficiência de um SPDA

Nível de Proteção Riscos Eficiência

I Risco muito elevado 98%

II Risco elevado 95%

III Risco normal 90%

IV Baixo risco 80%


Deve-se salientar que, devido ao fato de que a probabilidade de o raio cair no SPDA

ser variável, não há a garantia de proteção, mas apenas uma estimativa de proteção. O sistema

de proteção utilizado não está relacionado com a probabilidade de queda do raio na estrutura,

mas sim com a sua eficiência de captar e conduzir o raio à terra.

Estruturas contendo explosivos ou materiais inflamáveis, tais como tanques de

armazenamento de combustíveis, requerem um nível mais alto de proteção, ou seja, requerem

a maior eficiência possível para o SPDA. Todavia, outros tipos de estruturas, necessitam de

uma avaliação prévia para se determinar se existe a necessidade de instalação de um SPDA.

3.2 MÉTODO DO NÍVEL DE PROTEÇÃO

Em muitos casos a necessidade de aplicar um sistema de proteção contra descargas

atmosféricas é evidente, por exemplo:

Locais de grande afluência de público;

Locais que prestam serviços públicos essenciais;

Áreas com alta densidade de descargas atmosféricas;

Estruturas isoladas, ou com altura superior a 25 m;

Estruturas de valor histórico ou cultural;

A seguir, será apresentado um método para determinar se um SPDA é, ou não

exigido, e qual o nível de proteção aplicável. No entanto, alguns fatores não podem ser

avaliados e podem sobrepujar todas as demais considerações. Por exemplo, o fato de que não

deve haver qualquer risco de vida evitável, ou de que os ocupantes de uma estrutura devem se

sentir sempre seguros, pode determinar a necessidade do SPDA, mesmo nos casos em que a

proteção seria normalmente dispensável. Nestas circunstâncias, deve-se recomendar uma

16


avaliação que considere o risco de exposição (isto é, o risco de a estrutura ser atingida pelo

raio), e ainda os seguintes fatores:

O tipo de ocupação da estrutura;

A natureza de sua construção;

O valor de seu conteúdo, ou os efeitos indiretos;

A localização da estrutura;

A altura da estrutura;

3.3 A ESCOLHA DO NÍVEL DE PROTEÇÃO

A escolha do nível de proteção adequado deve ser baseada nas características e

necessidades da estrutura a ser protegida. Por exemplo, se a estrutura tem uma grande

afluência de pessoas ou não, se abriga produtos ou materiais inflamáveis, se na instalação

funcionam serviços que não podem ser interrompidos, tais como hospitais e prisões. Esses

níveis, de acordo com a NBR 5419:2005, são designados da seguinte maneira:

Nível I - Destinado às estruturas nas quais uma falha do sistema de proteção pode

causar danos às estruturas vizinhas ou ao meio ambiente.

Nível II - Destinados às estruturas cujos danos em caso de falha serão elevados ou

haverá destruição de bens insubstituíveis e/ou de valor histórico, mas em qualquer

caso, se restringirão a estrutura ou seu conteúdo; incluem-se também aqueles casos de

estruturas com grande aglomeração de público, havendo, portanto, risco de pânico.

Nível III - Destinados às estruturas de uso comum, como residências, escritórios,

fábricas (excluindo aquelas com áreas classificadas) e outras.

Nível IV - Destinados às estruturas construídas de material não inflamável, com pouco

acesso de pessoas, e com conteúdo não inflamável.

A tabela 3. 2 apresenta exemplos de classificação dos níveis de proteção, levando em

consideração o tipo das estruturas e os efeitos das descargas atmosféricas.

17


Tabela 3. 2 - Exemplo de classificação das estruturas

Classificação da

estrutura Tipo da estrutura Efeitos das descargas atmosféricas

Nível de

proteção

Estruturas comuns

(1)

Residências

Perfuração da isolação de instalações

elétricas, incêndio, e danos materiais;

Danos normalmente limitados a objetos

no ponto de impacto ou no caminho do

raio;

III

Fazendas,

estabelecimentos

agropecuários

Risco direto de incêndio e tensões de

passo perigosas;

Risco indireto devido à interrupção de

energia e risco de vida para animais

devido à perda de controles eletrônicos,

ventilação, suprimento de alimentação e

outros;

III ou IV(2)

Teatros, escolas,

lojas de

departamento, áreas

esportivas e igrejas.

Danos às instalações elétricas (por

exemplo: iluminação) e possibilidade de

pânico;

Falha do sistema de alarme contra

incêndio, causando atraso no socorro;

II

Bancos, companhias

de seguro,

companhias

comerciais, e outros.

Como acima, além de efeitos indiretos

com a perda de comunicações, falhas dos

computadores e perda de dados

II

Hospitais, casa de

repouso e prisões.

Como para escolas, além de efeitos

indiretos para pessoas em tratamento

intensivo e dificuldade de resgate de

pessoas mobilizadas;

II

Indústrias

Efeitos indiretos conforme o conteúdo

das estruturas, variando de danos

pequenos a prejuízos inaceitáveis e perda

de produção;

III

Museus e locais

arqueológicos

Perda de patrimônio cultural

insubstituível II

Estruturas com

risco confinado

Estações de

telecomunicações,

usinas elétricas,

Indústrias.

Interrupção inaceitável de serviços

públicos por breve ou longo período de

tempo;

Risco indireto para as imediações devido

aos incêndios, e outros com risco de

incêndio;

I

Estruturas com

risco para os

arredores

Refinarias, postos de

combustível,

fábricas de fogos,

fábricas de munição.

Risco de incêndio e explosão para a

instalação e seus arredores I

Estruturas com

risco para o meio

ambiente

Indústrias químicas,

usinas nucleares,

laboratórios

bioquímicos.

Risco de incêndio e falhas de operação,

com consequências perigosas para o

local e para o meio ambiente;

I

18


Notas:

1) ETI (equipamentos de tecnologia da informação) podem ser instalados em todos os tipos de estruturas,

inclusive estruturas comuns. É impraticável a proteção total contra danos causados pelos raios dentro destas

estruturas; não obstante, devem ser tomadas medidas (conforme a NBR 5410) de modo a limitar os prejuízos a

níveis aceitáveis;

2) Estruturas de madeira: nível III; outras estruturas nível IV. Estruturas contendo produtos agrícolas

potencialmente combustíveis (pós de grãos) sujeitos a explosão são considerados com risco para arredores.


3.4 AVALIAÇÃO DO RISCO DE EXPOSIÇÃO

A probabilidade de uma estrutura ser atingida por um raio em um ano é o produto da

densidade de descargas atmosféricas para a terra pela área de exposição equivalente da

estrutura. A densidade de descarga atmosférica para a terra (Ng - descrito na sessão 2.4) é

dada através do mapa isocerâunico de uma região, sendo este valor utilizado no cálculo da

frequência média anual previsível (Nd) de descargas atmosféricas sobre uma estrutura, que

será descrito mais a frente. Como exemplo, a figura 3.1 mostra o mapa isocerâunico do estado

do Paraná.

Figura 3. 1 - Mapa isocerâunico do estado do Paraná

Fonte: Coutinho, Altoé (2003)

A área de exposição equivalente (Ae) é a área, em metros quadrados, do plano da

estrutura prolongada em todas as direções, de modo a levar em conta sua altura. Esta será

outra variável para o cálculo da Nd. Os limites da área de exposição equivalente estão

afastados do perímetro da estrutura por uma distância correspondente à altura da estrutura no

ponto considerado. Assim, para uma estrutura retangular simples de comprimento L, largura

19


W e altura H, a área de exposição equivalente tem um comprimento L +2H e uma largura W

+ 2H, com quatro cantos arredondados formados por segmentos de círculo de raio H, em

metros. Então, conforme a figura 3.2, resulta:

(3.1)

Figura 3. 2 - Delimitação da área de exposição equivalente (Ae) - Estrutura vista de Planta


Então, a frequência média anual previsível Nd de descargas atmosféricas sobre uma

estrutura é dada por:

(3.2)

Para a frequência média anual admissível de danos Nc, valem os seguintes limites:

Riscos maiores que 10-3

(isto é, 1 em 1.000) por ano são considerados

inaceitáveis;

Riscos menores que 10-5

(isto é, 1 em 100.000) por ano são, em geral,

considerados aceitáveis.

A probabilidade de uma estrutura ser atingida por um raio, ou seja, de quantos em

quantos anos é provável que, em média, caia um raio sobre a mesma é, pois, facilmente

calculável pela expressão (3.2). A partir desse número é possível - levando-se em conta

fatores como: o material de que é construída, a finalidade, a ocupação, os conteúdos, a

existência de estruturas nas vizinhanças e o tipo de terreno – determinar o risco de haver

20


algum dano a essa estrutura por ocasião da incidência de uma descarga atmosférica na sua

área de atração.

A vantagem deste método é que ele fornece um número a partir do qual a proteção é

obrigatória, tornando a avaliação um processo objetivo. A NBR 5419:2005 considera as

várias situações relativas às estruturas e suas vizinhanças e estabelece para elas fatores de

ponderação que, multiplicados pela probabilidade de queda de raio na sua área de atração,

dará o risco de dano à estrutura resultando em dano pessoal.

Depois de determinado o valor de Nd, o passo seguinte é a aplicação dos fatores de

ponderação mencionados, que são traduzidos em números através de tabelas. Estes fatores

denotam a importância relativa do risco em cada caso. Após multiplicar o valor de Nd pelos

fatores pertinentes, é comparado o resultado com a frequência admissível de danos Nc,

conforme o seguinte critério:

Se Nc ≥ 10-3

, a estrutura requer SPDA;

Se 10-3

> Nc > 10-5

, a conveniência de um SPDA deve ser tecnicamente

justificada e decidida por acordo entre projetista e usuário;

Se Nc ≤ 10-5

, a estrutura dispensa um SPDA.

As tabelas 3.3 a 3.7 indicam os fatores de ponderação que deverão ser aplicados. Na

tabela 3.5, o termo “efeitos indiretos” refere-se não apenas aos danos materiais sobre a

estrutura, mas também à interrupção de serviços essenciais de qualquer natureza,

principalmente em hospitais. Para estruturas destinadas a atividades múltiplas, deve ser

aplicado o fator de ponderação A (TABELA 3.3) correspondente ao caso mais severo. (NBR

5419:2005)

Tabela 3. 3 - Fator A: Tipo de ocupação da estrutura

Tipo de ocupação Fator A

Casas e outras estruturas de porte equivalente; 0,3

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

Fábricas, oficinas e laboratórios; 1

Edifícios de escritórios, hotéis e apartamentos, e outros edifícios

residenciais não incluídos abaixo; 1,2

Locais de afluência de público (igrejas, pavilhões, teatros, museus,

exposições, lojas de departamento, correios, aeroportos); 1,3

Escolas, hospitais, creches e outras instituições, estruturas de múltiplas

atividades; 1,7

21


Tabela 3. 4 - Fator B: Tipo de construção da estrutura

Tipo de ocupação Fator B

Estrutura de aço revestida, com cobertura não metálica; 0,2

Estrutura de concreto armado, com cobertura não metálica; 0,4

Estrutura de aço revestida, ou de concreto armado, com cobertura metálica; 0,8

Estrutura de alvenaria ou concreto simples, com qualquer cobertura, exceto

metálica ou de palha; 1

Estrutura de madeira, ou revestida de madeira, com qualquer cobertura,

exceto metálica ou de palha; 1,4

Estrutura de madeira, alvenaria ou concreto simples, com cobertura metálica; 1,7

Qualquer estrutura com teto de palha; 2

Tabela 3. 5 - Fator C: Conteúdo da estrutura e efeitos indiretos das descargas atmosféricas

Conteúdo da estrutura ou efeitos indiretos Fator C

Residências comuns, edifícios de escritórios, fábricas e oficinas que não

contenham objetos de valor ou particularmente suscetíveis a danos; 0,3

Estruturas industriais e agrícolas contendo objetos particularmente suscetíveis a

danos; 0,8

Subestações de energia elétrica, usinas de gás, centrais telefônicas, estações de

rádio; 1

Indústrias estratégicas, monumentos antigos e prédios históricos, museus,

galerias de arte e outras estruturas com objetos de valor especial; 1,3

Escolas, hospitais, creches e outras instituições, locais de afluência de público; 1,7

Tabela 3. 6 - Fator D: Localização da Estrutura

Localização Fator D

Estrutura localizada em uma grande área contendo estruturas ou árvores da

mesma altura ou mais altas (por exemplo: em grandes cidades ou em

florestas)

0,4

Estrutura localizada em uma área contendo poucas estruturas ou árvores de

altura similar 1

Estrutura completamente isolada, ou que ultrapassa, no mínimo, duas vezes a

altura de estruturas ou árvores próximas 2

Tabela 3. 7 - Fator E: Topografia da Região

Topografia Fator E

Planície 0,3

Elevações moderadas, colinas 1

Montanhas entre 300 m e 900 m 1,3

Montanhas acima de 900 m 1,7

22


3.5 MÉTODOS DE PROTEÇÃO

Uma vez constatada a necessidade da proteção de uma dada estrutura e determinado

o nível de proteção a ser utilizado, temos algumas alternativas a serem analisadas e uma dada

sequência de cálculos a serem executados para se obtiver, finalmente, o projeto mais

adequado, tanto do ponto de vista técnico como do estético e de custo. Deve-se, inicialmente,

chamar a atenção para a necessidade de um planejamento do sistema de proteção ainda na

fase de projeto da estrutura. O engenheiro eletricista encarregado do sistema de proteção deve

fazer parte da equipe de projeto com o arquiteto e o engenheiro civil, para que as soluções

adotadas não venham a entrar em conflito nem encarecer desnecessariamente a obra.

O custo do sistema de proteção contra descargas atmosféricas está relacionado com o

momento em que o responsável pelo projeto é chamado para planejá-la. Tem-se um custo

mínimo se o planejamento do sistema começar junto com o início do projeto e será máximo se

só se começar a pensar no sistema de proteção quando o prédio estiver pronto. Neste último

caso, tem-se sérias divergências entre o arquiteto, o engenheiro civil, o empreiteiro e o

projetista do sistema de proteção. Deve-se atentar a fatores como o aspecto estético, locais

para os componentes do SPDA que por ventura venham a comprometer a estrutura e os custos

previstos para a obra.

O projeto do sistema de proteção deve, enfim, ser definido por toda a equipe de

projetos e as responsabilidades claras e registradas, assim como possíveis alterações durante a

execução.

Visto as considerações citadas, o próximo passo é a escolha do método de proteção,

que são maneiras diferentes de se captar as descargas atmosféricas, uma vez que os

subsistemas de descida e aterramento são os mesmos (Os subsistemas do SPDA serão

descritos no próximo capítulo). A NBR-5419:2005 reconhece três métodos de captação das

descargas atmosféricas: Modelo Eletrogeométrico, Método de Franklin e o método da Gaiola

de Faraday.

Basicamente existem duas filosofias de proteção, onde um deles é utilizado pelos

métodos Franklin e Eletrogeométrico. Este método utiliza-se de condutores suspensos ou

hastes metálicas verticais denominadas de terminais aéreos (para-raios), já o outro princípio

utilizado pelo método Faraday, dispõe de condutores horizontais não-suspensos que formam

uma malha apoiada na estrutura.

23


Os métodos Franklin e Eletrogeométrico diferem quanto ao modelo matemático

utilizado: o método Franklin é baseado apenas em observações, enquanto que o método

Eletrogeométrico utiliza um modelamento estudado e comprovado nas linhas de transmissão e

subestações. A tendência mundial é o desaparecimento do método Franklin, mantido em

algumas normas apenas para facilitar uma evolução gradual para o método Eletrogeométrico.

Alguns países já não mais utilizam o método Franklin (notadamente, Estados Unidos e

Dinamarca). Estes três métodos serão discutidos a seguir.

3.5.1 Modelo Franklin

Também conhecido como método do ângulo de proteção, consiste em se determinar

o volume de proteção propiciado por um cone, cujo ângulo de geratriz com a vertical varia

segundo o nível de proteção desejado e para uma determinada altura de construção

(CREDER, 2000). Na tabela 3.8 pode se obter o ângulo de proteção contra as descargas

atmosféricas para diversas alturas de construção.

Tabela 3. 8 - Ângulo de proteção do método Fraklin

Nível de

Proteção

Altura da estrutura a ser protegida

0 a 20 m 21 a 30 m 31 a 45 m 46 a 60 m

I 25° Não se aplica Não se aplica Não se aplica

II 35° 25° Não se aplica Não se aplica

III 45° 35° 25° Não se aplica

IV 55° 45° 35° 25°


3.5.1.1 Determinação do ângulo e volume de proteção

Determinar o ângulo de proteção (FIGURA 3.3) sempre foi à questão mais discutida

neste método de proteção, uma que este pode variar de 30° até 90°. Na proteção de linhas de

transmissão pode-se usar até ângulo negativo (o ângulo de proteção é dito negativo quando o

cabo para-raios está colocado para fora da fase mais externa da linha de transmissão),

considerado necessário nas altas tensões, uma vez que as alturas das torres são muito grandes

(NOLETO, 2006).

Durante dezenas de anos não houve preocupação com a altura do captor, admitindo-

se que o ângulo de proteção era o mesmo qualquer fosse à altura da haste ou do cabo

24


horizontal. Atualmente, a NBR 5419:2005 define o ângulo de proteção conforme a altura,

como foi visto na tabela 3.8.

Para sabermos se uma dada estrutura está dentro do volume de proteção, no caso do

método Franklin, deve-se verificar se toda estrutura está dentro do volume de proteção dos

cones ou dos condutores horizontais suspensos. Para isso, verifica-se a posição dos captores

tanto em plantas como em elevação e cortes laterais.

Figura 3. 3 - Cone de proteção pelo Método de Franklin


Para casos de telhados planos costuma-se determinar a intersecção dos cones de

proteção com o plano do teto, traçando-se sobre a planta do teto as circunferências com os

raios correspondentes a alturas das hastes e do ângulo de proteção escolhido. O raio da

circunferência será h * tg α, onde h é a altura da ponta do captor em relação ao plano do teto e

α é o ângulo de proteção. Os valores de tg α são mostrados, de acordo com o nível de

proteção, na tabela 3.9:

Tabela 3. 9 - Variação da tangente de acordo com o Nível de proteção

Nível de proteção α tg α

I 25 0,46

II 35 0,7

III 45 1

IV 55 1,43


25


3.5.2 Modelo Eletrogeométrico

Também conhecido como método da esfera rolante ou fictícia (FIGURA 3.4) é

bastante indicado para estruturas com formas arquitetônicas complexas ou com grandes

alturas, sendo baseados em estudos realizados a partir da medição dos parâmetros dos raios,

de registros fotográficos, em técnicas de simulação, ensaios de laboratórios e modelagem

matemática. Inicialmente, este método surgiu com a necessidade de um modelo para se

aplicar às linhas de transmissão, sendo depois adaptado para atender as estruturas.

Figura 3. 4 - Exemplo do modelo da esfera rolante e zoom do local de captação

Fonte: Coutinho; Altoé (2003)

Nas descargas nuvem-solo negativa, que são as mais perigosas, o raio é precedido

por um canal ionizado descendente (líder), que se desloca no espaço em saltos sucessivos de

algumas dezenas de metros. A esfera fictícia, pela qual também é conhecido o modelo

Eletrogeométrico, representa uma esfera de centro na extremidade do líder descendente e raio

igual ao comprimento de todos os saltos antes do último, onde sua superfície representa o

lugar geométrico dos pontos a serem atingidos pela descarga atmosférica. A distância R (ver

FIGURA 3.5) pode ser definida como o comprimento do último trecho a ser vencido pelo

líder descendente, sendo que esse comprimento será igual ao raio da semiesfera fictícia que

simulam os pontos a serem atingidos pela descarga.

26


Figura 3. 5 - Conceito da distância R (raio da esfera fictícia)


Conforme a NBR 5419:2005, a distância R entre o ponto de partida do líder

ascendente e a extremidade do líder descendente é o parâmetro utilizado para posicionar os

captores segundo o modelo Eletrogeométrico. Seu valor é dado pela Equação 3.3. A tabela

mostra os valores de R em função do nível de proteção exigido e os valores de crista da

corrente de raio.

(3.3)

R – dado em metros;

Imax – valor de crista máximo do primeiro raio negativo, em kA (NBR 5419, 2005);

Tabela 3. 10 - Distância R em função da crista da corrente do raio

Nível de proteção Distância R (m) Valor de crista de Imax

(kA)

I 20 3,7

II 30 6,1

III 45 10,6

IV 60 16,5


27


3.5.2.1 Determinação do volume de proteção

O procedimento para se determinar o volume a ser protegido por um captor com h <

R pode ser acompanhado através da figura 3. 6, sendo h a altura do captor e R o raio da esfera

fictícia. Inicialmente, traça-se uma reta paralela ao plano do solo com altura R, em seguida

traça-se um arco de circunferência com o centro no topo do captor com raio igual a R,

encontrando a intersecção entre a reta e o arco de circunferência denominado de ponto P.

Logo após, com o centro em P e com o mesmo raio R traça-se um arco de circunferência

passando pelo topo do captor até o solo. Então, como existe uma simetria, basta girar a figura

em 360º que se obterá o volume de proteção delimitado pela área A para um captor com h <

R. Para se determinar o volume de proteção por um captor com altura maior que o raio de

atração ver o Anexo C da NBR 5419:2005.

Figura 3. 6 - Volume de proteção do captor h<R


Se ao invés de uma haste vertical for utilizado um condutor horizontal suspenso,

basta replicar o arco de circunferência com centro em P para o lado oposto de maneira

simétrica e deslocar a figura na direção perpendicular ao plano de terra e paralelo ao condutor

que se obterá o volume de proteção em forma de uma tenda conforme a figura 3. 7. Em ambos

os casos a estrutura a ser protegida deverá estar locada dentro do volume de proteção para não

ser atingida por uma descarga atmosférica. (LEITE; LEITE, 2001).

28


Figura 3. 7 - Volume de proteção por um condutor horizontal suspenso

Fonte: Leite; Leite (2001)

3.5.3 Gaiola de Faraday

Este método consiste em dispor por todos os lados do volume a ser protegido uma

malha de condutores fixados na estrutura, sendo baseado na teoria de Faraday, na qual o

campo no interior de uma gaiola formada por condutores que conduzem uma corrente

qualquer é nulo, independente do valor da corrente. No entanto, para que o campo seja nulo é

necessário que a corrente se distribua uniformemente por toda a gaiola – sabe-se que o campo

é nulo exatamente no centro da gaiola. Nas proximidades dos condutores haverá um campo

que poderá gerar tensões induzidas em outros condutores que estiverem em paralelo com os

condutores da malha.

A distância entre os condutores ou a abertura da malha está relacionada com o nível

de proteção desejado: quanto menor a distância entre os condutores da malha melhor será a

proteção obtida. Para obter os mesmos níveis de proteção do método Franklin, foi fixada pela

norma européia IEC-61024-I as distâncias mínimas com os respectivos níveis de proteção. Na

figura 3. 8 “A” representa a largura da malha, enquanto que “B” representa a distancia entre

os terminais aéreos.

29


Figura 3. 8 - Malha do método de Faraday sobre a estrutura

Fonte: NFPA 780 (2000)

A IEC-61024-I apenas fixou as medidas da largura da malha, no entanto é comum

adotar o comprimento como sendo igual a 1.5 a 2 vezes a largura. Com isso a NBR 5419:2005

fixou as medidas do comprimento de acordo com a Tabela 3. 11.

Tabela 3. 11 - Dimensões da malha pelo método Faraday

Nível de proteção Largura máxima da

malha

Comprimento da

malha

I 5 < 10

II 10 < 20

III 10 < 20

IV 20 < 40


3.5.4 Escolha do método

O método Franklin era o mais usado no Brasil por ser o único previsto na antiga

norma NB 165, sendo o de cálculo manual mais fácil, embora mais trabalhoso. Seu emprego

vem diminuindo no caso de edifícios de áreas grandes, porque se forem feitas as interligações

entre os captores para diminuir os campos magnéticos e as tensões ao longo das descidas, se

obtém uma malha sobre o teto da estrutura que estará protegida pelo método de Faraday. Os

captores de 2, 3 ou 4 metros poderão ser substituídos por pequenos captores de 30, 40 ou 50

cm, para proteção dos condutores da malha. Uma vantagem dos captores altos é afastar a

descarga do teto, diminuindo o risco de danos às telhas pela ação do deslocamento de ar

proveniente da descarga.

30


Leite e Leite (2001) comprovam, através de cálculos, que o método Eletrogeométrico

tem uma eficiência maior do que o método Franklin. A tendência é a proteção Franklin se

restringir as pequenas estruturas (residências e prédios pequenos).

No entanto, ao se fazer comparação entre o método da gaiola de Faraday e o método

Eletrogeométrico chega-se à conclusão de que na maioria dos casos o método Faraday

apresenta maiores vantagens quando empregado em uma mesma proteção que o método

Eletrogeométrico. Algumas dessas vantagens são melhor estética, menor geração de campos

no interior das estruturas, menor custo quando implementado em pequenas construções,

porém para construções maiores o método Eletrogeométrico apresenta-se mais econômico.

Recomenda-se a utilização, independente do método de proteção, de hastes verticais

nas junções e ao longo dos condutores da malha de proteção distanciadas por cerca de 5 a 8

m, o comprimento mínimo das hastes verticais deve ser de 30 cm. Esta técnica deve ser

empregada para evitar a possibilidade dos condutores da malha serem danificados no ponto de

impacto.

31

CAPÍTULO 4

SUBSISTEMAS DO SPDA

Independente do nível de proteção ou do método adotado um SPDA possui três

subsistemas de componentes:

Subsistema captor;

Subsistema de descida;

Subsistema de aterramento.

Esses subsistemas serão abordados a seguir, citando tópicos como características,

composição, construção e dimensionamento baseados na norma NBR 5419:2005.

4.1 SUBSISTEMA DE CAPTORES

Pode ser definido como a parte do SPDA externo destinado a interceptar as descargas

atmosféricas, ou seja, tem a função de receber os raios, reduzindo ao mínimo a probabilidade

da estrutura ser atingida. A depender do método de proteção adotado os captores poderão ser

hastes (Método Franklin ou Modelo Eletrogeométrico), condutores horizontais que percorrem

todo o perímetro da construção formando malhas ou anéis (Gaiola de Faraday), além de

captores naturais, tais como mastros, tubos e tanques metálicos, postes, entre outros elementos

condutores salientes nas coberturas.

Os elementos condutores expostos devem ser analisados para certificar se as suas

características são compatíveis com os critérios estabelecidos para elementos captores.

Elementos condutores expostos que não possam suportar o impacto direto do raio devem ser

colocados dentro da zona de proteção de captores específicos, integrados ao SPDA (NBR

5419, 2005).

No dimensionamento deve ser considerado que o captor sofrerá grandes esforços no

ponto de impacto, devendo o captor ser construído com um material que apresente alto

32

CAPÍTULO 4. SUBSISTEMAS DO SPDA

ponto de fusão e alta resistência mecânica. Além de suportar os esforços eletromecânicos

consequentes das descargas atmosféricas e a corrosão oriunda dos agentes atmosféricos.

Figura 4. 1 - Captor tipo Franklin

Fonte: Noleto (2006)

A NBR 5419:2005 apresenta alguns aspectos construtivos que devem ser observados

em um projeto de SPDA no que diz respeito ao subsistema de captores:

Para um SPDA isolado, a distância entre o subsistema captor e instalações

metálicas do volume a proteger deve ser maior que 2 m;

Para um SPDA não isolado, o subsistema captor pode ser instalado

diretamente sobre o teto ou a uma pequena distância, desde que a corrente de

descarga não possa causar qualquer dano, o que pode ocorrer se o material for

inflamável;

No topo das estruturas, em especial naquelas com altura superior a 10 m,

recomenda-se instalar um captor em forma de anel, disposto ao longo de todo

perímetro. Este captor não deve estar situado a mais de 0,5 m da borda do

perímetro superior da edificação. Esta é uma recomendação suplementar e

não exclui a necessidade de outros captores, quando determinados em

projeto.

33


4.1.1 Captores Naturais

Captores naturais são todos os elementos pertencentes à estrutura que sejam

condutores e estejam expostos, os quais do ponto de vista físico possam ser atingidos por

descargas atmosféricas. Estes elementos devem ser considerados como parte do SPDA.

Coberturas metálicas sobre o volume a proteger, mastros, rufos, calhas, guarda-

corpos, tubos, são alguns exemplos de elementos metálicos que podem ser utilizados como

captores naturais. Estes elementos condutores expostos devem ser analisados para certificar se

as suas características soam compatíveis com os critérios estabelecidos para elementos

captores. Segundo a NBR 5419:2005 um elemento condutor exposto para ser considerado

como captor natural deverá satisfazer as seguintes condições:

i. A espessura do elemento metálico não deve ser inferior a 0,5 mm ou conforme

indicado na Tabela 4. 1, quando for necessário prevenir contra perfurações ou pontos

quentes no volume a proteger;

ii. A espessura do elemento metálico pode ser inferior a 2,5 mm, quando não for

importante prevenir contra perfurações ou ignição de materiais combustíveis no

volume a proteger;

iii. O elemento metálico não deve ser revestido de material isolante (não se considera

isolante uma camada de pintura de proteção, ou 0,5 mm de asfalto, ou 1 mm de PVC);

iv. A continuidade elétrica entre as diversas partes deve ser executada de modo que

assegure durabilidade;

v. Os elementos não metálicos acima ou sobre o elemento metálico podem ser excluídos

do volume a proteger (em telhas de fibrocimento, o impacto do raio ocorre

habitualmente sobre os elementos metálicos de fixação).

34


Tabela 4. 1 - Espessuras mínimas dos componentes do SPDA

Material Captores

Descida Aterramento NPQ NPF PPF

Aço galvanizado a quente 4 2,5 0,5 0,5 4

Cobre 5 2,5 0,5 0,5 0,5

Alumínio 7 2,5 0,5 0,5 -

Aço Inox 4 2,5 0,5 0,5 5

NPQ - Não gera ponto quente

NPF - Não perfura

PPF - Pode perfurar


Os raios não terão preferência por captores específicos colocados com a intenção de

atraí-los. Os raios incidirão em geral sobre elementos condutores aterrados, ainda que não

intencionalmente, na cobertura dos edifícios. Se o aterramento de elementos naturais for

inadequado para a condução da corrente do raio, podem resultar acidentes como arcos,

explosões ou outras manifestações indesejadas (MIRANDA, 2003b).

4.2 SUBSISTEMAS DE DESCIDAS

Após a descarga atmosférica ter sido recebida pelo sistema de captores, as correntes

correspondentes deverão ser conduzidas ao sistema de aterramento por um conjunto de

condutores denominados condutores de descida (lightning conductors ou down conductors).

O numero de condutores utilizados, o distanciamento entre eles e a respectiva secção

transversal deverão ser escolhidos de maneira que:

Os condutores suportem térmica e mecanicamente as correntes;

Não haja descargas laterais;

Os campos eletromagnéticos internos sejam mínimos;

Não haja risco para as pessoas próximas;

Suportem o impacto dos raios (nas estruturas altas);

Não haja danos às paredes (se forem inflamáveis);

35


Deve-se considerar que as correntes do raio procurarão naturalmente caminhos

externos à estrutura e seguirão os percursos mais curtos e retilíneos. Se não oferecermos esses

caminhos, elas os procurarão com riscos de danos às estruturas, às pessoas e aos

equipamentos internos.

Estruturas metálicas de torres, postes e mastros, assim como as armaduras de aço

interligadas de postes de concreto, constituem descidas naturais até a base das mesmas,

dispensando a necessidade de condutores de descida paralelos ao longo da sua extensão (NBR

5419, 2005). Além de pilares metálicos da estrutura, elementos da fachada como perfis e

suportes metálicos, desde que suas seções sejam no mínimo iguais às especificadas para

condutores de descidas conforme Tabela 4. 1, também poderão ser utilizados como

condutores de descida naturais.

4.2.1 Materiais e Dimensões para as descidas

Poderão ser utilizados condutores de cobre, alumínio ou aço galvanizado a quente. A

escolha entre esses materiais deve ser feita considerando a poluição do ambiente e o custo. O

cobre é em geral o mais utilizado no Brasil, porém é mais caro, além de apresentar, em alguns

casos, maior corrosão que o alumínio e o aço galvanizado, devendo-se, considerar a

compatibilidade de materiais diferentes nas junções e conexões.

A secção transversal mínima especificada pela norma NBR 5419:2005 é a calculada

pelos efeitos térmicos e eletrodinâmicos causados pela passagem da corrente das descargas

atmosféricas. No caso de prédios de até 20 metros de altura, os efeitos térmicos são apenas os

da passagem de corrente e, para os acima de 20 metros de altura, onde pode haver descargas

laterais, são considerados também os efeitos do arco elétrico no ponto de impacto.

Tabela 4. 2 - Seções mínimas das descidas do SPDA

Material Altura da Estrutura

Até 20 m Acima de 20 m

Cobre 16 mm² 35 mm²

Alumínio 25 mm² 70 mm²

Aço galvanizado 50 mm² 50 mm²


36


As descidas devem estar distribuídas ao longo do perímetro das estruturas e com um

espaçamento máximo de acordo com o nível de proteção, visto na tabela 4.3:

Tabela 4. 3 - Espaçamentos máximos conforme nível de proteção

Nível Espaçamento Máximo

I 10 m

II 15 m

III 20 m

IV 25 m


A NBR 5419:2005 estabelece, no mínimo, duas descidas para o SPDA. Quanto

melhor for a distribuição das descidas e maior o seu número, menores serão os campos

eletromagnéticos no interior da estrutura e menores os riscos pessoais próximos às descidas na

parte externa. As correntes não se distribuem uniformemente entre as várias descidas

especialmente quando o raio cai numa das arestas da estrutura, o que é o caso mais comum.

Quando isso acontece, aproximadamente 50% da corrente escoam para a terra pelo condutor

de descida da aresta. Como a corrente tende a seguir o caminho de descida mais curto as

descidas não devem formar laços, pois estes aumentam a indutância e podem dar origem a

descargas perigosa com risco de incêndio.

Outro ponto a ser considerado nas descidas é a garantia da sua continuidade elétrica.

Em condutores de descidas não naturais (onde não são utilizadas as estruturas metálicas da

edificação e sim as descidas externas, através de cabos) não são admitidas emendas nos

condutores de descida, exceto na interligação entre o condutor de descida e o condutor de

aterramento. Estes cabos devem ser protegidos contra danos mecânicos até, no mínimo, 2,5 m

acima do nível do solo. A proteção deve ser por eletrodutos rígidos de PVC ou metálico sendo

que, neste ultimo caso, o cabo de descida deve ser conectado as extremidades superior e

inferior do eletroduto (NBR 5419, 2005).

Quanto a decidas naturais, A NBR 5419:2005 informa que as armaduras de aço

interligadas das estruturas de concreto armado podem ser consideradas condutores naturais de

descida desde que satisfaça a seguinte condição:

Cerca de 50% dos cruzamentos de barras da armadura, incluindo os estribos, estejam

firmemente amarradas com arame de aço torcido e as barras na região de trespasse

apresentem comprimento de sobreposição de no mínimo 20 diâmetros, igualmente

amarradas com arame de aço torcido, ou soldadas, ou interligadas por conexão

mecânica adequada; (NBR 5419, 2005).

37


Experiências realizadas no Instituto de Engenharia Elétrica da Universidade de São

Paulo (IEE – USP) comparam o comportamento das diversas emendas de ferragens (FIGURA

4.2) em relação à condução de descargas atmosféricas e estimar valores da impedância das

ferragens a serem utilizadas como parte integrante do sistema de proteção. Nesse estudo, que

verificou também a emenda com luva, mesmo esse tipo de emenda não estar previsto na NBR

5419:2005, concluiu que o condutor com emenda feita através de amarração com arame de

aço torcido possuía a maior resistência, e o feito com solda elétrica, a menor (SUETA, 2005).

Figura 4. 2 - Diferentes tipos de emendas a) Com arame; b) Com solda elétrica; c) Com solda exotérmica; d)

Com luva;

Fonte: Sueta (2005)

Para as edificações já existentes que utilizaram concreto armado, poderá ser

implantado um SPDA com descidas externas (as descidas não naturais) ou, opcionalmente,

poderão ser utilizadas como descidas as armaduras do concreto. Neste ultimo caso devem ser

realizados testes de continuidade e estes devem resultar em resistências medidas inferiores a 1

Ω. Este procedimento é orientado através do polêmico Anexo E da NBR 5419:2005, onde

38


diversas discussões (que serão abordadas no Capítulo 5 deste trabalho) são realizadas sobre a

utilização e validação deste procedimento.

4.2.2 O Re-Bar

A norma NBR 5419:2005 trata, em seu anexo D (normativo), do uso opcional de

ferragem especifica em estruturas de concreto armado, dedicada exclusivamente ao papel de

condução da corrente até o aterramento e desempenhando a função de condutores de descida e

aterramento. É especificado na norma os seguintes requisitos na utilização da re-bar

(Reinforcing bars), quanto ao aterramento e as descidas:

Como aterramento das fundações, deverão ser atendidos os seguintes requisitos:

Para as edificações novas, em concreto armado, onde a estrutura ainda não foi

iniciada, deve ser instalado um condutor adicional de aço comum ou galvanizado a

quente, dentro da estrutura, de modo a garantir a continuidade desde as fundações até

o topo do prédio;

O condutor adicional deverá ser instalado dentro das fundações, atravessar os blocos

de fundação e entrar nos pilares do concreto;

Os condutores deverão ser emendados por conectores de aperto, solda elétrica ou

exotérmica, desde que executada de forma duradora, obedecendo (quando amarradas

com arame de aço recozido ou conectores) a um trespasse de 20 diâmetros da barra;

Em fundação direta (pouco profunda), os condutores adicionais devem ser instalados

nas vigas baldrames de modo a melhorar a condição de drenagem e o contato com o

solo;

Como condutores de descida, deverão ser atendidos os seguintes requisitos:

Em cada pilar estrutural deverá ser instalado um condutor adicional (cabo

galvanizado, barra chata ou redonda de aço) paralelamente às barras estruturais e

amarrando com arame nos cruzamento com os estribos para assegurar a

equipotencialização;

Nos locais onde haja deslocamento da posição dos pilares, ao mudar a laje, bem

quando houver redução da seção dos pilares, o condutor adicional deverá ser

encaminhado de modo a garantir a continuidade elétrica;

39


Armaduras de aço dos pilares, lajes e vigas devem ter cerca de 50% de seus

cruzamentos firmemente amarrados com arame recozido ou soldados (com solda

elétrica ou exotérmica). As barras horizontais das vigas externas devem ser soldadas,

ou sobrepostas por no mínimo 20 vezes o seu diâmetro, firmemente amarradas com

arame recozido de forma a garantir a equalização de potenciais da estrutura.

4.3 SUBSISTEMAS DE ATERRAMENTO

O subsistema de aterramento tem a função de dissipar no solo as correntes das

descargas atmosféricas recebidas através do subsistema de descida sem causar tensões de

passo perigosas, mantendo baixa a queda de tensão na resistência de terra. Se o aterramento

for mal dimensionado todo o trabalho do subsistema captor e do subsistema de descida será

em vão, pois a corrente não fluirá para ao solo através dos eletrodos de aterramento e buscará

caminhos mais fáceis para chegar até o solo, o que poderá causar danos às instalações a serem

protegidas, além de riscos de vida aos ocupantes das instalações.

Para assegurar a dispersão da corrente de descarga atmosférica na terra sem causar

sobretensões perigosas, o arranjo e as dimensões do subsistema de aterramento são mais

importantes que o próprio valor da resistência de aterramento. Entretanto, recomenda-se, para

o caso de eletrodos não naturais, uma resistência de aproximadamente 10 Ω, como forma de

reduzir os gradientes de potencial no solo e a probabilidade de centelhamento perigoso. No

caso de solo rochoso ou de alta resistividade, poderá não ser possível atingir valores próximos

dos sugeridos. Nestes casos a solução adotada deverá ser tecnicamente justificada no projeto

(NBR 5419, 2005).

No subsistema de aterramento os condutores são denominados de eletrodos, os quais

são os elementos responsáveis pela dissipação da corrente na terra. Podem ser utilizados de

diferentes modos, tais como: condutores em anel, hastes verticais ou inclinadas, condutores

horizontais radiais ou aterramento natural pelas fundações.

Basicamente existem dois tipos de arranjo para os subsistemas de aterramento, o

arranjo “A” e o arranjo “B” (FIGURA 4.4):

O arranjo “A” é composto de eletrodos radiais (verticais, horizontais ou inclinados),

sendo indicado para solos de baixa resistividade (até de 100 Ω. m) e para pequenas estruturas

(com perímetro até 25 m). Cada condutor de descida deve ser conectado, no mínimo, a um

40


eletrodo distinto. Devem ser instalados, no mínimo, dois eletrodos que não devem ter

comprimento inferior ao estabelecido na figura 4. 3, assim determinado:

a) l - para eletrodos horizontais radiais;

b) 0,5 l - para eletrodos verticais (ou inclinados).

Figura 4. 3 - Comprimento mínimo dos eletrodos de aterramento em função dos níveis e da resistividade do solo


O arranjo “B” é composto de eletrodos em anel ou embutidos nas fundações da

estrutura e é obrigatório nas estruturas de perímetro superior a 25 m (NBR 5419, 2005).

Figura 4. 4 - Tipos de arranjo no sistema de aterramento

Fonte: Miranda (2006)

41


Assim como no subsistema de descida os condutores do subsistema de aterramento

devem apresentar baixa resistência, alta capacidade térmica para suportar o calor gerado pela

passagem da corrente, resistência mecânica para suportar os esforços eletromecânicos, além

de suportabilidade a corrosão causada pelos agentes agressivos do solo.

Os eletrodos de aterramento podem ser de cobre, aço galvanizado a quente ou aço

inoxidável, não sendo permitido o uso de alumínio. É possível, ainda, usar o aço revestido de

cobre (comercialmente denominado de “copperweld”) ou, em casos especiais, cobre revestido

de chumbo. O fator que determina o material a ser usado é a agressividade do solo; em geral,

o cobre suporta a maioria dos solos, mas, em alguns casos, o zinco e o chumbo são os mais

indicados (LEITE; LEITE; 2001).

4.3.1 Eletrodos naturais.

Os eletrodos naturais são elementos metálicos, normalmente da estrutura da

edificação, que pelas suas características têm uma topologia e contato com o solo melhor que

os eletrodos convencionais e ainda apresentam uma resistência de aterramento também

inferior. O eletrodo de aterramento natural é constituído pelas armaduras de aço embutidas no

concreto das fundações das edificações. A experiência tem demonstrado que as armaduras de

aço das estacas, dos blocos de fundação e das vigas baldrames, interligadas nas condições

correntes de execução, constituem um eletrodo de aterramento de excelentes características

elétricas. As armaduras de aço das fundações podem ainda, juntamente com as demais

armaduras do concreto da edificação, constituir, nas condições prescritas pela NBR

5419:2005, o sistema de proteção contra descargas atmosféricas (aterramento e gaiola de

Faraday, complementado por um sistema captor).

O aterramento pelas fundações, já consagrado em diversos países e já previsto nas

edições das NBR 5419:2005, tem como características básicas:

a) O fato do concreto em contato com o solo absorver e reter água, provocando assim

uma redução da resistividade elétrica;

b) A existência de grande quantidade de condutores (de aço) na superestrutura e

infraestrutura, bastante superior à quantidade de condutores de cobre, que seriam

utilizados para o mesmo fim.

42


O sistema de aterramento natural, por fazer parte da própria estrutura do prédio, não

está sujeito a ser interrompido ou seccionado; portanto, não há risco de perda de eficiência.

Sendo constituído de aço embutido em concreto, o sistema está praticamente protegido contra

os efeitos de corrosão, pelo que se pode considerá-lo utilizável sem reservas ao longo de toda

a vida do edifício. Como o material utilizado é o aço, a solução é mais econômica, uma vez

que as fundações constituem o eletrodo de aterramento, poder-se-ia dotar os pilares do

edifício de elementos condutores destinados a transferir para a cobertura o potencial da terra.

A proteção contra as descargas atmosféricas, segundo este procedimento, é

especialmente eficiente e segura porque garante a multiplicidade de caminhos alternativos

para o escoamento da corrente de descarga, diminuindo drasticamente os gradientes de tensão.

Essa mesma multiplicidade de correntes em paralelo uniformiza, ao longo do edifício, as

flutuações de tensão devidas à descarga atmosférica, eliminando a possibilidade de descargas

laterais (devido ao fato de parcelas da edificação permanecerem ao potencial do solo quando

ocorre uma descarga concentrada através de um ou mais condutores de descidas). Enfim, o

eletrodo de aterramento, assim constituído, envolve toda a superfície do edifício enquanto que

os eletrodos convencionais limitam-se a condutores externos de cobre conectados às hastes

cravadas no solo, conforme visto anteriormente (OUTÃO; BARROS, 2009).

As armaduras de aço embutidas nas fundações das estruturas devem ser utilizadas

como eletrodos naturais desde que satisfaçam algumas condições, como descritas na NBR

5419:2005. Algumas dessas restrições são as seguintes:

a) As armaduras de aço das estacas, dos blocos de fundação e das vigas baldrame devem

ser firmemente amarradas com arame recozido em cerca de 50% de seus cruzamentos

ou soldadas. As barras horizontais devem ser sobrepostas por no mínimo 20 vezes o

seu diâmetro, e firmemente amarradas com arame recozido ou soldadas;

b) Em fundação de alvenaria pode servir como eletrodo de aterramento, pela fundação,

uma barra de aço de construção, com diâmetro mínimo de 8 mm, ou uma fita de aço

de 25 mm x 4 mm, disposta com a largura na posição vertical, formando um anel em

todo o perímetro da estrutura. A camada de concreto que envolve estes eletrodos deve

ter uma espessura mínima de 5 cm;

c) As armaduras de aço das fundações devem ser interligadas com as armaduras de aço

dos pilares da estrutura, utilizados como condutores de descida naturais, de modo a

assegurar continuidade elétrica equivalente.

43


4.4 MATERIAIS

Para a execução do SPDA, deve-se atentar aos materiais que serão utilizados nos

subsistemas. Estes devem suportar, sem danificação, os efeitos térmicos e eletrodinâmicos das

correntes de descarga atmosférica, bem como os esforços acidentais previsíveis. A sua

escolha deve ser feita em função dos riscos de corrosão da estrutura a proteger e do SPDA

(NBR 5419, 2005).

Os componentes do SPDA podem ser construídos com os materiais indicados na

Tabela 4.4, desde que eles tenham condutividade elétrica e resistência a corrosão compatíveis

com a aplicação. Outros metais podem ser utilizados, contando que suas características

mecânicas elétricas e químicas sejam equivalentes.

Também devem ser cuidadosamente considerados no projeto de SPDA os riscos de

corrosão provada pelo meio ambiente, ou pela junção de metais diferentes. Em caso de

aplicação não prevista pela Tabela 4.4, a compatibilidade dos materiais deve ser avaliada. Os

materiais ferrosos expostos, utilizados em uma instalação de SPDA, devem ser galvanizados a

quente, conforme a ABNT NBR 6323 - Produto de aço ou ferro fundido - Revestido de zinco

por imersão a quente.

Tabela 4. 4 - Materiais do SPDA e condições de aplicação


44

CAPÍTULO 5

ESTRUTURAS METÁLICAS DA EDIFICAÇÃO NO SPDA

As normas NBR 5419:2005 e NBR 5410:2004 determinam que os sistemas de

proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) e os sistemas de aterramento devem dispor de

uma infraestrutura de aterramento, denominada “Eletrodo do Aterramento”, baseado

preferencialmente no uso das próprias armaduras de concreto das fundações. Este

procedimento baseia-se na constatação de que as fundações permanecem úmidas e assim, o

concreto e/ou a argamassa da alvenaria apresentam uma resistividade idêntica à de um solo de

resistividade média a baixa (MIRANDA, 2003a).

Dessa forma, a infraestrutura de aterramento deve ser concebida de modo que seja

confiável, satisfaça os requisitos de segurança das pessoas e instalações, que possa conduzir

as correntes de falta sem risco de danos estruturais, bem como atender também aos requisitos

funcionais da instalação. Consequentemente temos que as opções de eletrodo de aterramento e

equipotencialização devem ser utilizadas conjuntamente pelo sistema de proteção contra

descargas atmosféricas, usando-se para isso as estruturas metálicas existentes nas edificações.

Nesse ponto deve-se admitir o uso das estruturas metálicas de fundação (vigas e

estruturas de concreto armado) como parte de um sistema de proteção contra descargas

atmosféricas, uma vez que a norma NBR 5419:2005 estabelece que os condutores de descida

de um SPDA sejam, preferencialmente, representados pela estrutura metálica das edificações,

onde a própria estrutura desempenhará o papel de condutor de descida, bem como de eletrodo

de aterramento do SPDA, em virtude da profundidade em que se encontram suas fundações.

De forma análoga, a norma NBR 5410:2004 além de tratar do aterramento das

edificações através de sua estrutura metálica, estabelece também que todos os pontos de

tomada devam dispor de aterramento, com tomadas do tipo 2P + T, sendo a estrutura metálica

responsável pelo sistema de equipotencialização.

Apesar de estar especificada (e até recomendada) a utilização da estrutura no SPDA

em norma, existe um grande receio por parte dos profissionais de engenharia civil em aplicá-

las nas construções. Nos próximos itens, serão descritos quais são as restrições, os receios e as

vantagens na utilização das estruturas metálicas nos componentes do SPDA.

45

CAPÍTULO 5. ESTRUTRA METÁLICA DA EDIFICAÇÃO NO SPDA

5.1 DISCUSSÃO SOBRE A UTILIZAÇÃO DA ESTRUTURA

Existe uma polêmica em relação ao uso das armaduras do concreto armado de

edificações existentes como parte integrante do sistema de proteção, uma vez que a NBR

5419:2005, possui o Anexo E (normativo), que descreve um ensaio de continuidade de

armaduras para verificação da continuidade elétrica das ferragens de um edifício já construído

e assim possibilita o uso desta armadura como parte integrante do sistema de proteção. Este

ensaio prevê uma verificação da continuidade com medições da impedância das armaduras

entre alguns pontos da edificação com valores relativamente baixos de corrente, da ordem de

100 A, chegando a um mínimo de 1 A.

As principais críticas ao anexo é que, com os testes nele descritos, não é possível

garantir as exigências descritas na IEC (61024) e mesmo na NBR 5419, no seu capítulo de

condutores de descida naturais, onde as armaduras de aço interligadas das estruturas de

concreto armado podem ser consideradas condutores de descida naturais, desde que:

[...] cerca de 50% dos cruzamentos de barras de armadura e estribos estejam

firmemente amarradas com arame de aço torcido e as barras na região de trespasse

apresentem comprimento de sobreposição de, no mínimo, 20 diâmetros, igualmente

amarradas com arame de aço torcido, ou soldadas, ou interligadas por conexão

mecânica adequada. (NBR 5419, 2005)

Sueta (2005) reforça a crítica sobre a metodologia descrita no Anexo E, sobre o teste

de continuidade ser aplicado em edificações existentes. Em seu trabalho, é relatado que o

método não garante que as especificações da NBR 5419 estão sendo atendidas, pois existem

outros fatores que devem ser considerados além da continuidade elétrica em si:

[...] há argumentações que nenhum teste de continuidade, consegue garantir que as

ferragens vão resistir aos esforços mecânicos decorrentes das descargas

atmosféricas, que haverá redução das intensidades das ondas de tensão de modo a

não criar acidentes humanos, e que o uso das ferragens se mantenha restrito às

regiões que tenham elevadas ondas de corrente para evitar interferências em

dispositivos eletrônicos, além da preocupação de que eventuais terminações abertas

nas ferragens possam produzir oscilações de altas frequências.

Na defesa do uso das ferragens, argumenta-se que nunca houve um colapso na

estrutura de um prédio devido a descargas atmosféricas. No entanto, há registros de muitos

casos em que a descarga atingiu a ferragem e desceu sem rachar a estrutura, eventualmente,

repartindo o concreto, no ponto onde a descarga atinge a edificação.

46


Ensaios de laboratório, realizados no IEE-USP (LEITE; KAMEYAMA, 1990)

mostraram a dificuldade de reproduzir todos os parâmetros da descarga atmosférica em

laboratório. Com as correntes utilizadas, até 100 kA, 4/10μs, verificou-se que não houve o

destacamento do concreto em relação ao ferro, e não se notou movimentação que provocasse

o rompimento do concreto, nos casos onde as ferragens foram interligadas com arame torcido.

Nos casos onde a ferragem não estava interligada, e havia uma distância de alguns milímetros

entre os vergalhões, houve a explosão do concreto; com uma resistência de 10 Ω, houve

passagem de corrente de até 60 kA com a mesma forma de onda. Novos ensaios foram

realizados e foram medidas as forças de destacamento do ferro, comparando os resultados

com ferragens de colunas de concreto similares que não sofreram os ensaios. Não foram

verificadas diferenças significativas nos esforços medidos.

Há argumentações, contra e a favor, em relação à preferência da descarga, em ter a

maior parte da sua corrente conduzida pelas armaduras ou por uma descida externa condutora.

A favor da preferência das descargas pelas armaduras, há a argumentação em relação à

quantidade de ferragens nas colunas de concreto face ao condutor de descida, concluindo que

uma menor impedância medida em frequência industrial é suficiente para que a descarga

procure as ferragens e não uma eventual descida externa. Fotos de edifícios onde a descarga

atingiu a ferragem próxima à descida, e não em outros pontos, mostram esta preferência e

tendência. (SUETA, 2005).

5.2 RESTRIÇÕES DA ESTRUTURA DE CONCRETO

Quando ocorre a incidência de uma descarga atmosférica em uma edificação, as

correntes que vão passar pelo primeiro condutor atingido, o captor ou descida (no caso de

uma descarga lateral) serão da ordem de dezenas de kA, com duração de ms e com

frequências elevadas, com componentes de dezenas de kHz até MHz em algumas situações.

Esta situação pode gerar algumas consequências para as estruturas, tais como:

Aquecimento das barras;

Arcos elétricos nas junções das barras;

Efeito pelicuar;

47


São justamente estes efeitos que preocupam os profissionais da Engenharia Civil,

pois qualquer um deles, individualmente, poderia comprometer a resistência do conjunto

concreto-aço, que depende da aderência de um elemento ao outro.

Para que a corrente oriunda da descarga possa escoar pela ferragem sem danificar o

concreto é necessário que se faça uma avaliação desse aquecimento e que as conexões sejam

bem firmes, de preferência com conectores de aperto ou solda. A passagem de correntes

elevadas, dependendo de sua duração, pode provocar o afrouxamento da ligação aço-concreto

(NOLETO, 2006).

Ao longo das colunas de concreto armado, as barras são amarradas entre si pelos

estribos através de arame recozido. Esta amarração deve garantir uma boa continuidade e

contato elétrico das barras, caso contrário, no momento em que a corrente da descarga

atmosférica passar de uma barra a outra, surgirá um arco elétrico que provocará a rápida

evaporação da água contida no concreto, gerando possíveis riscos para a integridade da

coluna.

Portanto, deve-se providenciar uma boa amarração através dos estribos para se ter

uma boa divisão da corrente entre as barras verticais das colunas e uma amarração firme entre

as barras verticais ao longo da coluna para que não haja arcos elétricos.

Dada a dificuldade do empreiteiro da obra civil poder garantir a continuidade elétrica

das conexões, por não dispor de pessoal treinado ou devido aos possíveis problemas de

execução, a melhor solução poderá ser a utilização de uma ferragem especial dedicada ao

sistema de proteção, a re-bar. A ferragem dedicada será constituída por barras soldadas,

unidas por conectores de aperto ou por buchas especiais colocadas em todas as colunas e

interligadas por outras barras colocadas nas vigas e nas lajes. Teremos assim, em cada piso de

um edifício uma “malha de terra” que uniformizará os potenciais de cada andar e à qual será

ligada à Barra de Equipotencialização Principal (BEP) dos potenciais do andar. À BEP serão

ligados os condutores PE (Terra) e PEN previstos na norma NBR 5410:2004 e os terminais de

terra dos protetores ligados aos condutores fase da instalação, quando forem necessários.

Já no caso dos concretos pré-moldados, as ferragens são, por necessidade do

processo de fabricação, muito mais bem amarradas entre si, garantindo-se uma boa

distribuição das correntes e uma boa resistência de contato na emenda das barras. De fato, a

boa amarração é necessária porque o conjunto da ferragem de uma viga é montado em um

local e transportado por guinchos, pontes rolantes ou empilhadeiras para outro local onde é

feita a montagem do concreto.

48


5.3 VANTAGENS EM SE UTILIZAR A ESTRUTURA

A primeira vantagem prática e visível do aterramento estrutural é a eliminação de

condutores expostos de descida junto a fachadas (FIGURA 5.2) e possíveis zonas externas de

circulação. A preocupação estética é, evidentemente, um convite ao uso embutido de

condutores (VICENTE, 2010).

Em relação à resistência do aterramento, Miranda (2003a) apresenta o seguinte

parecer:

[...] Como o volume das fundações é ordens de grandeza maior que o volume de

condutores de aterramento utilizável num sistema tradicional, verifica-se que a

resistência de aterramento obtida através das fundações é uma fração da obtida por

um sistema convencional.

Um ponto interessante observado por Bezerra e Kanashiro (2010) é que a utilização

de hastes envolvidas em concreto resultou em menores valores de resistência de terra se

comparadas às hastes convencionais, sendo a redução mais pronunciada para solos de

resistividades mais elevadas.

Figura 5. 1 - Armadura das fundações preparadas para a interligação das ferragens dos pilares

Fonte: Gomes (2007)

O uso das ferragens da fundação (FIGURA 5.1) também diminui as variações de

tensão durante a dissipação das correntes associadas às descargas atmosféricas para o solo,

com consequente diminuição das diferenças de potencial de passo e de toque, além de reduzir

a impedância do sistema de aterramento e facilitar muito o cumprimento dos preceitos de

49


equipotencialização das instalações elétricas (frequência industrial), em concordância com a

NBR 5410:2004 (GOMES, 2007).

Outra vantagem do aterramento estrutural é sua disposição adequada para permitir a

equipotencialização de todo o edifício, ou seja, pelo fato de utilizar os elementos metálicos

das estruturas, presentes em toda a obra, o sistema de aterramento dispõe de contatos

eletricamente próximos da terra para interligação de qualquer ponto da edificação, permitindo

a integração mais cômoda de janelas e elementos metálicos de toda a construção (VICENTE,

2010).

O recurso aos elementos metálicos das estruturas como parte integrante do

aterramento gerou muitas polêmicas, No entanto, o barramento comum traz justamente a

vantagem de colocar todo o sistema em tensão mais alta, inclusive os neutros e terras, que

acabam recebendo uma tensão elevada por sua conexão direta ao sistema aterrado, garantindo,

assim, a equipotencialidade dos condutores e dos elementos estruturais (MIRANDA, 2003a).

Pensando nisso, a NBR 5419:2005 estabelece que os quadros elétricos dos andares

de edifícios estejam com seus respectivos terras ligados à armadura correspondente ao andar,

com a finalidade de promover a equipotencialização de todos os sistemas (item 5.2.1.3.3).

Figura 5. 2 - Descida externa na estrutura

Fonte: Noleto (2006)

Ocorre também a maior facilidade para atender à exigência da norma quanto à

proteção de esquadrias metálicas de janelas e portas externas e guarda-corpos de varandas,

principalmente em edificações altas. Como esses elementos são passíveis de serem

50


percorridos por corrente, no caso de descargas laterais, deve haver uma proteção específica

para essa finalidade (NBR5419, 2005).

Quanto às descidas, uma vantagem dos condutores estarem embutidos em concreto é

a diminuição do efeito eletromagnético, resultante da menor velocidade de propagação da

onda de corrente do raio no aço das armaduras, devido a estas estarem embutidas em

concreto, conforme foi relatado em Miranda (2003c). Este é um fato da maior relevância na

comparação entre um condutor de descida não natural e um condutor de descida estrutural.

Além destes fatores, ocorre uma redução de custos se utilizarem as estruturas da

edificação como componentes do SPDA, ao invés do sistema convencional (NOLETO, 2006).

.

51

CAPÍTULO 6

ESTUDOS DE CASO

Neste capítulo, serão apresentados os detalhamentos executivos das estruturas

metálicas atuando como sistemas de proteção contra descargas atmosféricas e como sistemas

de aterramento em duas edificações diferentes. Deve-se destacar que o nível de detalhamento

a ser apresentado pode apresentar alterações decorrentes das peculiaridades de cada projeto,

sem desprezar a observância aos requisitos mínimos exigidos pelas normas NBR 5410:2004 e

NBR 5419:2005.

6.1 EDIFÍCIO RESIDÊNCIAL GARDEN ARAUCÁRIA

6.1.1 Dados da construção

A primeira análise de aplicação de SPDA estrutural será do edifício residencial

Garden Araucária (FIGURA 6.1), da construtora Vanguard Home e projeto elétrico da

Engebrazil Engenharia Elétrica.

Figura 6. 1 - Edifício Garden Araucária

Fonte: Site Vanguard (2011)

52

CAPÍTULO 6. ESTUDO DE CASO

O condomínio, construído em 2010 na zona sul de Londrina-PR, é formado por 2

torres de 65 m de altura com 19 pavimentos tipos. Em cada pavimento, existem 6

apartamentos, sendo 4 com 66,31 m² de área privada e 2 com 68,8 m². No total, as duas torres

abrigam 228 apartamentos.

6.1.2 Memorial de Cálculo

Para cálculo da área de exposição equivalente (Ae), foram utilizados os seguintes

valores de largura, comprimento e altura:

L = 25,5 m, W = 21,5 m H = 65 m

Através da equação (3.1), obtemos o seguinte valor de Ae:

(6.1)

Ao analisar o mapa isocerâunico do Paraná (FIGURA 3.1), observa-se que a área

onde se encontra Londrina tem um número médio de dias de trovoadas por ano (Td) igual a

80. Então, com o auxílio da Equação 2.6 pode-se encontrar o valor da densidade de descarga

atmosférica para a terra (Ng):

(6.2)

Então, tendo os valores de Ae e Ng, determina-se a frequência média anual previsível

de descargas atmosféricas sobre uma estrutura (Nd) que é dada pela Equação 3.2:

(6.3)

Depois de determinado o valor de Nd, o próximo passo é a aplicação dos fatores de

ponderação, multiplica-se o valor de Nd pelos fatores pertinentes e compara-se o resultado

com a frequência admissível de danos Nc:

(6.4)

Com este resultado conclui-se que a estrutura requer um SPDA, pois o valor de Nd

ponderado é maior que o valor de referência (Nc = 10-3

) de acordo com o método da NBR

5419:2005.

53


6.1.3 Detalhes de Projeto

O edifício foi classificado com Nível III de proteção, por sua utilização ser de caráter

residencial. O método escolhido foi um híbrido utilizando o método Eletrogeométrico com a

gaiola de Faraday utilizados os componentes naturais do edifício, visando às vantagens

oferecidas pelo mesmo.

Para o sistema de captação, foi utilizado um captor Franklin, de 3m de altura, na

parte mais alta da edificação, conforme mostra a figura 6.2:

Figura 6. 2 - Parte superior do edifício - detalhe para o sistema de captação

É possível perceber que além do captor Franklin, o perímetro da parte superior

também é protegido por terminais aéreos, de 35 cm (FIGURA 6.4). Estes captores verticais

são inseridos para evitar as descargas diretamente na estrutura metálica embutida na

platibanda.

O detalhamento do captor tipo Franklin e do Captor vertical podem ser vistos nas

figuras a seguir:

54


Figura 6. 3 - Captor tipo Franklin

Figura 6. 4 - Terminal Aéreo de 35 cm

55


Na parte superior de cada torre, foram instalados ao todo 14 captores, sendo seus

locais destacados nas figuras 6.5 e 6.6:

Figura 6. 5 - Parte superior do edifício, com destaque para os captores verticais.

Figura 6. 6 - Planta da Cobertura, com destaque para a localização dos captores verticais

`

56


Estes captores visivelmente utilizam os elementos naturais da construção. É possível

ver na figura 6.7 que sua conexão é ligada diretamente na estrutura metálica do edifício:

Figura 6. 7 - Detalhe para conexão na estrutura do captor vertical

Na figura 6.2 e 6.5, é possível perceber a existência de antenas de televisão sobre o

telhado. A NBR 5419:2005, em seu anexo A, recomenda o aterramento nestes locais:

O mastro metálico da antena externa de televisão ou sua torre de suporte, instalados

sobre uma estrutura, deverão ser aterrados segundo uma das seguintes alternativas:

a) o mastro da antena deve ser conectado ao SPDA por meio de solda exotérmica ou

braçadeira com dois parafusos M8. Esta ligação deve ser o mais curto e retilíneo

possível, mediante condutor, conforme as tabelas 6 ou 7;

. Em virtude disto, a base de todas as antenas localizadas no telhado foi aterrada,

como mostra o detalhe da figura 6.8:

Figura 6. 8 - Detalhe do aterramento da antena

57


O aterramento também foi realizado nos rufos, telhas e outros componentes que

compõem a cobertura do edifício, conforme pode ser visto na figura 6.9:

Figura 6. 9 - Detalhe da conexão para o aterramento do rufo

A conexão mostrada na figura 6.7 é conectada no ferro de descida dos pilares. Ao

todo, cada torre possui oito descidas (FIGURA 6.10), sendo seis ao longo do perímetro e dois

descendo no interior do edifício. Como cada torre possui aproximadamente 100,60 m de

perímetro, esta quantidade de descidas é suficiente para atender ao requisito da norma para o

nível de proteção em questão, uma vez que o espaçamento máximo prescrito de 20 m entre as

descidas é respeitado.

Figura 6. 10 - Planta baixa estrutural indicando os locais dos condutores de descida

A figura 6.11 mostra o detalhe de instalação do para-raios e ligação das ferragens da

cobertura e baldrame:

58


Figura 6. 11 - Detalhe da instalação dos condutores de descida

59


A legenda de referencias (tags) dos detalhes de projeto mostradas neste capítulo é

dada a seguir:

1. Conexão entre ferro de descida do pilar e ferro do tubulão 02 conectores;

2. Cabo #35 mm² cobre nu aparente sobre a platibanda (Anel superior), ou fazendo conexão

barra/anel superior.

3. Conexão entre barra de aço da estrutura c/ o cabo de cobre do anel superior.

4. Terminal aéreo galvanizado com bandeirinha, 35 cm de altura, fixo na platibanda.

5. Conector tipo grampo p/ cabo 35 mm² c/ barra da ferragem da estrutura.

6. Presilhas para fixação do cabo na platibanda com parafuso e bucha (S-8) de nylon.

7. Platibanda de concreto ou viga de bordo.

8. Abraçadeira de ferro galvanizado reforçado c/ isolador roldana para mastro de ferro

galvanizado.

9. Abraçadeira de ferro galvanizado simples, c/ isolador roldana para mastro de ferro

galvanizado.

10. Suporte de contraventagem fixo, de ferro galvanizado, ou em tirantes de cabo de aço.

11. Base para mastro de ferro galvanizado.

12. Amarração nos estribos alternada, um sim outro não, com arame recozido em 50% dos

cruzamentos.

13. Conector “Split bolt” Ø 3/8‟‟ ou de acordo com a bitola da ferragem (2 por conexão).

14. Solda exotérmica.

15. Ferro normal da armadura da viga de bordo perimetral.

16. Amarração obrigatória a cada 2 andares p/ edifício residencial e a cada pavimento para

edifício comercial.

17. Amarração dos anéis intermediários, a partir do teto do 2º pavimento deverá ser a cada 2

andares (p/ edifícios residenciais) e a cada pavimento (p/ edifícios comerciais).

18. Tubulão.

19. Sapata ou Bloco.

20. Cintamento.

21. Pilar

Como pode ser observado nas especificações, o projeto utiliza condutores de cobre

de 35 mm², conforme solicita a NBR 5419:2005.

60


Para executar o trespasse da ferragem da armadura para descida natural do SPDA, o

projeto sugere a aplicação de quatro emendas diferentes, conforme podemos ver na figura

6.12.

Figura 6. 12 - Trespasse da ferragem da armadura para descida natural – 1) conector tipo grampo; 2) conector

Split bolt; 3) solda exotérmica; 4) arame recozido;

O projeto utilizou as barras adicionais (ou re-bar) para realizar a descidas nos

pilares. Esta barra adicional pode ser vista nos detalhes mostrados na figura 6.13. Esta prática

é normatizada na norma NBR 5419:2005 através do Anexo D, que diz:

Para as edificações novas, em concreto armado, onde a estrutura ainda não foi

iniciada, deve ser instalado um condutor adicional de aço comum ou galvanizado a

fogo, dentro da estrutura, de modo a garantir a continuidade desde as fundações até

o topo do prédio.

61


Figura 6. 13 - Detalhe da barra adicional de descida do pilar

É possível perceber pelo detalhe que o projetista se atentou a informar que a região

de trespasse (FIGURA 6.14) deverá ter uma área de contato de vinte vezes o diâmetro das

barras, conforme especifica o item D.1.3 do Anexo D da NBR 5419:2005:

Os condutores deverão ser emendados por conectores de aperto, solda elétrica ou

exotérmica, desde que executada de forma duradoura, obedecendo (quando

amarradas com arame de aço recozido ou conectores) a um trespasse de 20

diametros da barra.

Figura 6. 14 - Opção de emenda utilizando clip galvanizado

62


Para a existência da malha de Faraday neste edifício, a cada dois pavimentos

ocorrem a amarração das ferragens da armadura do pilar com os anéis intermediários

(FIGURA 6.15). Em edifícios comerciais, esta amarração (FIGURA 6.16) ocorre em cada

andar.

Figura 6. 15 - Detalhe da amarração dos anéis intermediários

Figura 6. 16 - Amarração das ferragens dos pilares com outras ferragens

63


No aterramento do edifício, a ferragem da estrutura do pilar é interligada com a

ferragem do baldrame e com a ferragem do tubulão (FIGURA 6.17). Em locais não existe

baldrame entre pilares, é conectado um cabo de cobre nu de 95 mm², efetuando assim a malha

de aterramento.

Figura 6. 17 - Conexão das ferragens do pilar com a ferragem do baldrame e do tubulão

A visão em corte da conexão da ferragem da estrutura do pilar com a estrutura do

pilar podem ser vista na figura 6.18:

64


Figura 6. 18 - Detalhe em corte da ligação da ferragem do pilar com a da fundação

Para a equipotencialização do edifício, no centro de medição existente a cada três

andares são realizados uma conexão de aterramento junto a ferragem da armadura de

concreto. Esta prática é recomendada no item 5.2.1.2.1 da NBR 5419:2005, conforme é

mostrado a seguir:

[...] acima do nível do solo, em intervalos verticais não superiores a 20 m, para

estruturas com mais de 20 m de altura. As barras secundárias de ligação

eqüipotencial devem ser conectadas a armaduras do concreto ao nível

correspondente, mesmo que estas não sejam utilizadas como componentes naturais;

No quadro onde está localizado o Barramento de Equipotencialização Principal

(BEP) e o Dispositivo de Proteção contra Surto (DPS) (FIGURA 6.19) estão conectados todos

os sistemas de aterramento da edificação (incluindo comunicação e o que vem dos

apartamentos), o que está de acordo com o trecho da NBR 5419:2005 sobre

equipotencialização:

A equalização de potencial é obtida mediante condutores de ligação eqüipotencial,

eventualmente incluindo DPS (dispositivo de proteção contra surtos), interligando o

SPDA, a armadura metálica da estrutura, as instalações metálicas, as massas e os

condutores dos sistemas elétricos de potência e de sinal, dentro do volume a

proteger.

65


Figura 6. 19 - Detalhe do Quando de DPS/BEP

Na edificação, os seguintes itens estão ligados a equipotencialização principal:

Condutor de proteção principal

Condutor de aterramento principal ou terminal de aterramento principal

Canalizações metálicas de água, gás e outras utilidades.

Elementos metálicos da construção e outras estruturas metálicas

Cabos de telecomunicação, com a concordância da empresa operadora.

Aterramento do sistema de proteção contra descargas

Aterramento da antena de TV.

66


6.1.4 Análise do Projeto

O edifício, entregue em 2010, se utiliza de vários componentes naturais no sistema

de proteção contra descargas atmosféricas. A quantidade de condutores de descida existentes

nos pilares possibilita uma variedade de opções para a corrente da descarga ser conduzida até

o aterramento.

O sistema de captação está atendendo o volume a ser protegido de acordo com o

nível de proteção indicado. Para o Nível III, o raio da esfera rolante é de 45 m (FIGURA

6.20), ou seja, como a distância entre os captores Franklin no topo de cada torre é de 40 m. e

como existem captores verticais ao longo do perímetro, o sistema de captação está

abrangendo todo o condomínio de forma segura.

Figura 6. 20 - Visualização da área de proteção - Esfera com raio de 45 m

Está especificado no projeto que o sistema de aterramento deverá possuir uma

resistência ôhmica de 10 Ω em qualquer época do ano. Esta especificação está de acordo com

o que a norma solicita como resistência máxima permitida para o aterramento de estruturas.

Além disso, a continuidade das conexões do sistema de aterramento é garantida pela boa

execução das emendas nas regiões de trespasse.

67


6.2 SHOPPING CENTER DE GRANDE PORTE

6.2.1 Dados da construção

Para segundo estudo de caso, foi escolhido um shopping center de grande porte

possuindo uma área bruta locável de 81.700 m² e ocupando cerca de 135.000 m² de área

construída. No estabelecimento existem 299 lojas, entre a praça de alimentação, boliche,

centro de diversões, cinema e serviços.

O shopping em questão segue o modelo dos shoppings americanos tradicionais,

horizontais e de caráter regional. Tendo passado por duas grandes ampliações, em 2003 e em

2008, o shopping movimenta cerca de um milhão de pessoas por mês.

Devido à grandiosidade do shopping em questão e pelo número de pessoas que o

frequentam, torna-se evidente a necessidade de existir um sistema de proteção contra

descargas atmosféricas eficiente e que atenda aos propósitos de segurança predial da

edificação.

Será visto nos próximos itens, os detalhes executivos do SPDA durante as três etapas

de construção do shopping, além da verificação da situação atual do sistema, obtidas com as

informações levantadas in loco em vários pontos da cobertura.

6.2.2 Memorial de Cálculo

No caso do Shopping, devido a sua construção possuir forma irregular, para cálculo

da área de exposição equivalente (Ae), foram considerados valores aproximados de largura,

comprimento e altura:

L = 245 m, W = 400 m H = 15 m

Através da equação (3.1), obtemos o seguinte valor de Ae:

(6.5)

Na região que se encontra o shopping, o número médio de dias de trovoadas por ano

(Td) é também igual a 80. Então, com o auxílio da Equação 2.6 pode-se encontrar o valor da

densidade de descarga atmosférica para a terra (Ng):

68


(6.6)

Tendo os valores de Ae e Ng, determina-se a frequência média anual previsível de

descargas atmosféricas sobre uma estrutura (Nd) que é dada pela Equação 3.2:

(6.7)

Depois de determinado o valor de Nd, o próximo passo é a aplicação dos fatores de

ponderação, multiplica-se o valor de Nd pelos fatores pertinentes e compara-se o resultado

com a frequência admissível de danos Nc:

(6.8)

Esse resultado mostra que, utilizando o método da NBR 5419:2005, estatisticamente

o shopping é atingindo por raios 1,55 vezes a cada ano. Com este resultado conclui-se que a

estrutura requer um SPDA, pois o valor de Nd ponderado é maior que o valor de referência

(Nc = 10-3

).

6.2.2 Detalhes de Projeto

De acordo com a NBR 5419:2005, esta edificação deverá ter o Nível II de proteção.

O projeto original visava atender as necessidades da NBR 5419 de 1977 (norma vigente na

época que o shopping foi construído).

O método aplicado para a proteção do edifício foi a gaiola de Faraday. A construção

original, com 35.782 m² de área bruta locável, não utilizava as estruturas metálicas como

componentes do SPDA. Não havia captores nem descidas naturais. Os elementos de fundação

também não foram utilizados, sendo feito através das hastes de aterramento fixados

diretamente no solo.

A captação na área antiga é feita utilizando condutores de alumínio nu de 70 mm²

fixados em isoladores tipo roldana a cada 1,5 m. As descidas também são em condutores de

alumínio nu de 70 mm² envolvidos por eletroduto de PVC de 25 mm de diâmetro. As hastes

de aterramento utilizadas foram Copperweld de 5/8” com 3 m de comprimento. Para as

conexões entre condutores de diferentes metais, foram utilizado conectores bi metálicos.

Na primeira expansão, em 2004, 13.000 m² de lojas foram adicionados ao projeto

original. Nesta ampliação deixou-se de se utilizar condutores de alumínio para a utilização de

69


condutores de cobre de 35 mm² (FIGURA 6.23). As descidas foram realizadas através de

barras de cobre externas de ¼” x ¾” (FIGURA 6.24), fixadas ao pilar, onde junto ao piso foi

feita a derivação em cabo para a malha de aterramento.

Para o aterramento, os pilares metálicos foram aterrados por hastes de cobre com

diâmetro de ¾” e 3 m de comprimento. A malha foi composta por cabos de cobre nu de 25

mm². O sistema de captação é realizado com captores verticais de aço de 30 cm, arranjados

em todo o perímetro da primeira expansão (FIGURA 6.22).

Figura 6. 21 - Detalhe da conexão do captor do SPDA com a cordoalha na platibanda da cobertura

Figura 6. 22 - Fixação do cabo na telha através das hastes de fixação da própria telha

70


Figura 6. 23 - Detalhe da descida utilizando barra chata

A última expansão, em 2008, agregou ao Shopping mais 20.000 m² de área bruta

locável. Nesta ampliação, também se iniciou a utilização das estruturas metálicas da

construção como meios de captação, descida e aterramento.

Toda a cobertura da expansão foi feita com telha metálica, aterrada. A cada 15 m

foram inseridos captores de 30 cm, ligados a cabos de cobre nu de 35 mm² (FIGURA 6.26).

As claraboias existentes (FIGURA 6.25), por possuírem esquadrias metálicas, também foram

conectadas à malha de aterramento. Para as descidas, os condutores foram conectados as

armaduras dos pilares (FIGURA 6.28) e toda a malha de aterramento foi executada com a

fundação da construção, utilizando as armaduras das sapatas e estacas (FIGURA 6.27).

Figura 6. 24 - Clarabóias na cobertura

71


Figura 6. 25 - Foto dos Captores utilizados na Expansão II

Figura 6. 26 - Detalhe do aterramento da sapata / estaca

72


Figura 6. 27 - Detalhe para os pilares centrais - aterramento da estrutura metálica da cobertura

Os detalhes mostrados nas figuras 6.27, 6.28 e 6.29 mostram claramente a utilização

da estrutura como componentes do sistema de proteção.

73


Figura 6. 28 - Detalhe da conexão do captor até as ferragens do pilar

6.2.3 Análise do Projeto

Na verificação realizada no telhado do Shopping, algumas situações foram

constatadas:

1 – Terminal Aéreo galvanizado, 35 cm de

altura, fixo na telha;

2 – Cabo # 50 mm², cobre nu aparente sobre a

telha ou fazendo conexão barra/anel superior

3 – Terminal a pressão reforçado, para fixação

do cabo com a estrutura metálica;

74


Alguns captores dos para-raios existentes no sistema que faz a proteção da caixa

d‟agua necessitam de reparos:

Figura 6. 29 - Captores sobre a Caixa d'agua

Existências de antenas de televisão com mastros não aterrados. Estes locais deverão

ser aterrados através de condutor, 16 mm² em cobre ou 25 mm² em alumínio, por meio

de solda exotérmica ou braçadeira com 2 parafusos M8.

Figura 6. 30 - Antenas necessitando de aterramento

75


Alguns trechos da malha de condutores estão com os fixadores e isoladores soltos:

Figura 6. 31 - Trechos de condutores com isoladores soltos

Cabos que possuem outras funções (lógica, comunicação, elétrica) com trechos

próximos aos condutores do SPDA. Na ocorrência de uma descarga, estes cabos e os

equipamentos poderão sofrer danos.

Figura 6. 32 - Trechos com cabos pendurados nos condutores de SPDA

Quanto aos projetos, as duas ampliações que o shopping sofreu nos últimos vinte

anos mostraram como as práticas aplicadas para o SPDA da edificação teve mudanças. No

projeto original (hoje chamada Ala antiga) os componentes naturais da construção não foram

76


utilizados como componentes do sistema de proteção. Com o passar do tempo, a prática de se

utilizar da estrutura foi se consolidando na construção civil brasileira, sendo aplicada na

última expansão, em 2008.

Apesar da NBR 5419:2005 especificar que uma inspeção para este tipo de edificação

ocorra a cada período de três anos, o Shopping o faz anualmente. O sistema de SPDA

existente atende os propósitos de segurança predial da edificação, bastando apenas efetuar os

reparos descritos na Ala antiga.

77

CAPÍTULO 7

CONCLUSÕES

Através do estudo sobre os sistemas de proteção contra descargas atmosféricas,

pode-se verificar com clareza a importância deste sistema na preservação das estruturas

protegidas, nas vidas e nos equipamentos abrigados por esse recurso. Porém, foi verificado

também que não são todos os tipos de estruturas que necessitam de um SPDA. Essa eventual

necessidade deve ser analisada de acordo com as características de cada estrutura. Em caso

afirmativo deverão ser definidos através desta análise o nível e o método de proteção a ser

adotado.

Foi feita uma comparação entre os métodos de proteção, orientando como deve ser

feita a escolha do método, a que deve satisfazer a necessidade do nível de proteção exigido

para a estrutura a ser protegida. Na comparação entre o método Franklin e o

Eletrogeométrico, conclui-se que o método Eletrogeométrico apresenta uma maior eficiência,

o que deve contribuir para o desaparecimento do método Franklin. O método

Eletrogeométrico é mais indicado do que o método Faraday em construções maiores (exceto

as estruturas que apresentam altura maior que 60 m) por ser mais econômico nessas

condições. Porém, a utilização do método Faraday é mais indicada de uma maneira geral por

apresentar uma melhor estética, menor geração de campos induzidos no interior das estruturas

e menor custo quando implementado em pequenas construções.

A abordagem realizada com os subsistemas (captor, descidas e aterramento) teve

como base a norma NBR 5419:2005, detalhando as principais características e parâmetros que

seus componentes devem possuir, em especial detalhes de execução junto aos componentes

naturais da edificação.

No que diz respeito às vantagens do uso das estruturas, verificou-se que este

procedimento, apesar dos detalhes e exigências de execução, não só resulta em maior

eficiência técnica mas também econômica, além da atenuação dos campos eletromagnéticos e

melhorias estéticas da edificação, se comparados aos sistemas externos tradicionais. Destaca-

se o valor da resistência de aterramento deste sistema ser inferior aos encontrados nos

sistemas tradicionais, fato atribuído principalmente à profundidade dos eletrodos de

78

CAPÍTULO 7. CONCLUSÕES

aterramento e da umidade no concreto das fundações, tendo uma melhora considerável no

desempenho do aterramento das edificações que utilizam tal tecnologia.

No que diz respeito à preocupação por parte dos profissionais da Engenharia Civil

quanto à utilização dos componentes naturais da edificação, existe, sim, a possibilidade de as

estruturas das edificações sofrerem algum tipo de dano com a passagem da corrente oriunda

de descargas atmosféricas, mas somente se as conexões das armaduras metálicas não

atentarem para as prescrições da norma, principalmente quanto aos quesitos de amarração,

resistência das descidas, resistência de aterramento e continuidade elétrica. Há também a

discussão sobre a integridade do concreto nos elementos de fundação, mas os estudos

apontam para a segurança.

Nos estudos de caso, foi possível verificar os detalhes executivos para a utilização

dos componentes naturais da edificação no SPDA. No caso do Shopping, foi possível

perceber que esta prática está se consolidando na construção civil brasileira, sendo executada

em sua ultima expansão, em 2008.

Verificou-se em ambos os projetos analisados, as especificações da NBR 5419:2005

estão sendo atendidas, mostrando um conhecimento da norma por parte dos projetistas

responsáveis. Lamenta-se que durante as visitas nas estruturas, não tenha sido possível

verificar a resistência de aterramento das mesmas, devido à falta de equipamento de medição

apropriado.

79

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