Apostila - Manuteno de SPDA

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    23-Jul-2015

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CURSO A DISTNCIA EM MANUTENO DE EDIFICAES - MDULO 02/ AULA 08

SISTEMAS DE PROTEO CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS (SPDA) Engenheiro Fauzi Geraix Filho

1- DESCARGAS ATMOSFRICAS

1.1 Introduo a Descargas Atmosfricas A formao de cargas nas nuvens, e consequentemente sua descarga na terra, um fenmeno normal e natural que assola a Terra e afligi a humanidade, causando prejuzos e mortes. H milhares de anos os raios so observados e estudados, mais ainda poucos progressos foram obtidos a respeito do fenmeno, existindo ainda muitas duvidas (KINDERMAN, 1997).

De acordo com KINDERMAN (1997) apesar de todos os esforos, no conseguimos evitar que um raio caia sobre determinado prdio. No entanto, todos os cuidados so no sentido de disciplina-lo na sua queda, obrigando-o a seguir um caminho pr-determinado para a terra, ou seja, a implementao dos pra-raios.

Figura 6-Foto de um raio. Fonte: (Click Especial, Microservice).

1.2 Formao das Descargas Atmosfricas

KINDERMAN (1997) diz que a nuvem carregada induz no solo cargas positivas, que ocupam uma rea correspondente ao tamanho da nuvem. Como a nuvem arrastada pelo vento, a regio de cargas positivas no solo acompanha o deslocamento da mesma, formando praticamente uma sombra de cargas positivas que segue a nuvem. Neste deslocamento, as cargas positivas induzidas vo escalando rvores, pessoas, pontes, edifcios, praraios, morros, etc., ou seja, o solo sob a nuvem fica com carga positiva entre a nuvem e a terra formando diferenas de potenciais. Nota-se que para a descarga se efetuar no necessrio que o campo eltrico seja superior rigidez dieltrica de toda a camada de ar entre a nuvem e o solo, bastando para isso, um campo eltrico bem menor. Isto explicado pelo fato do ar entre a nuvem e a terra no ser homogneo, pois contm grande quantidade de impurezas, umidade e ar ionizado, que esto em constante agitao. Com isto, o ar entre a nuvem e a terra fica muito enfraquecido, e um campo eltrico menor j suficiente para que o raio consiga perfurar o ar e descarregar na terra, isso ocorre em fraes de micro-segundos.

Segundo KINDERMAN (1997) na maioria dos raios ocorre entre nuvens, formando descargas paralelas superfcie do solo. Isto se d durante uma tempestade, onde nuvens se aproximam a uma distncia tal que a rigidez do ar quebrada pelo alto gradiente de tenso, com a conseqente formao do raio, ocorrendo neutralizao das nuvens.

1.3 Valores das Descargas Atmosfricas

A gama de variaes dos valores dos raios uma questo preocupante, exigindo maiores estudos. Veja uma tabela de valores medidos e registrados sobre as caractersticas dos raios.

Corrente Tenso Durao Carga Eltrica da Nuvem Potncia liberada Energia Tempo de Crista Tempo de meia Cauda

2000 a 2000.000 Ampres. 100 a 1.000.000 KV 70 a 200 us 20 a 50 C 1000 a 8.000 milhes de kWh 4 a 10 kWh 1,2 us 50 us

Tabela 1-Valores do Raio. Fonte: (Descargas Atmosfricas Geraldo Kinderman).

1.4 Ao das Descargas em Estruturas

De um modo geral, grande ainda o desconhecimento e o grau de incerteza do efeito, da ao e da proteo contra descargas atmosfricas. Por este motivo as normas e recomendaes existentes so indefinidas em alguns pontos e imprecisas em outros, sendo necessrios muitos estudos e uma grande evoluo no conhecimento do assunto para que se disponha de uma melhor orientao quanto ao tratamento a ser dado na proteo contra descargas atmosfricas (KINDERMAN, 1997).

KINDERMAN (1997) Descreve que interessante ressaltar que, desde a proposta de Benjamin Franklin de utilizar uma haste para proteo contra descargas atmosfricas, at hoje no se encontrou nada melhor. E isto ocorreu h mais de 200 anos. Hoje, a utilizao de pra-raios de Franklin em estruturas elevadas, tem mostrado, na prtica, que as laterais dos edifcios no esto bem protegidas e deve ser complementada com outro tipo de proteo. Os avanos atuais obtidos foram apenas na metodologia dos clculos.

Figura 7-Danos a Estrutura. Fonte: (Click Especial, Microservice).

1.5 Legislao e Normas Tcnicas

A deciso de proteger uma estrutura contra os raios pode ser uma exigncia legal. No Brasil uma precauo do proprietrio para evitar prejuzos ou ainda uma exigncia das companhias de seguros, j que os raios so causas de danos fsicos e incndios.

As normas devem fornecer subsdios para os legisladores, proprietrios e agentes de seguros decidirem quanto necessidade de proteo. Se os cdigos de obras de uma dada localidade no especificarem quais estruturas devem ser obrigatoriamente protegidos, dever ser empregado o mtodo da norma NBR-5419/2001[MOREIRA LEITE, 1999].

O objetivo da NBR-5419/2001 fixar as condies exigveis ao projeto, instalao e manuteno de sistemas de proteo contra descargas atmosfricas (SPDA) de estruturas, bem como pessoas e instalaes no seu aspecto fsico dentro do volume protegido.

Figura 8-Norma NBR-5419/2005. Fonte: (www.abnt.org.br).

1.6 Nvel de Proteo Contra Descarga Atmosfrica

Definiram-se para as diversas estruturas, nveis de proteo a serem usados pelo projetista de proteo contra descargas atmosfricas. Apesar de no haver dados orientados de como escolher o nvel de proteo adequado, existem quatro nveis que so apresentados na Tabela 2.

PROTEO CONTRA DESCARGA ATMOSFRICA NVEL DE PROTEO IV III II I CARACTERISTICAS DA PROTEO Nvel Normal de Proteo. Nvel Moderado de Proteo. Nvel Mdio de Proteo. Nvel Mximo de Proteo.Tabela 2-Nvel de Proteo. Fonte: (Proteo contra Descargas Atmosfricas, Moreira Leite).

Nvel I: Destinado s estruturas nas qual uma falha do sistema de proteo pode causar danos s estruturas vizinhas ou ao meio ambiente. Ex.

depsitos de explosivos, fbricas ou depsitos de produtos txicos ou radioativos, indstrias com reas classificadas e outros.

Figura 9-Nvel 1. Fonte: (Engenheiro Especialista).

Nvel II: Destinados s estruturas cujos danos em caso de falha sero elevados ou haver destruio de bens insubstituveis ou de valor histrico, mas, em qualquer caso, se restringiro a prpria estrutura e seu contedo; incluem-se tambm aqueles casos de estruturas com grande aglomerao de pblico, havendo, portanto risco de pnico. Ex: museus, stios arqueolgicos, ginsios esportivos, etc.

Figura 10 - Nvel 2. Fonte: (Engenheiro Especialista).

Nvel III: Destinado s estruturas de uso comum, como residncias, escritrios, fbricas (excludas aquelas com reas classificadas) e outras.

Figura 11 - Nvel 3. Fonte: (Engenheiro Especialista).

Nvel IV: Destinado s estruturas construdas de material no inflamvel, com pouco acesso de pessoas, e com contedo no inflamvel. Ex.: depsitos em concreto armado, alvenaria ou estrutura metlica de produtos agrcolas no inflamveis.

Figura 12 - Nvel 4. Fonte: (Engenheiro Especialista).

Quanto maior o nvel de proteo requerido, maior a quantidade de elementos usados na instalao.

1.7

Eficincia

do

Sistema

de

Proteo

Contra

Descargas

Atmosfricas

Existem descargas atmosfricas de diferentes tipos e intensidades. Por este motivo, um sistema de proteo no pode ser dito seguro para todos os nveis de descarga atmosfrica. Raios raros, de altssima intensidade, podem danificar o sistema de proteo e tambm causar algum dano na estrutura da edificao. Estes podem ser danos fsicos na estrutura do prdio e tambm nos equipamentos eltricos e eletrnicos no interior da edificao.

KINDERMAN (1997) diz que especialistas internacionais, aps anos de anlise, produziram uma estimativa estatstica da eficincia do sistema de proteo contra descargas atmosfrica, de acordo com o nvel de proteo desejado. O grau de eficincia esta registrado na tabela 3.

PROTEO CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS NVEL DE PROTEO EFICINCIA DA PROTEO I II III IVTabela 3 - Eficincia da Proteo. Fonte: (Descargas Atmosfricas Geraldo Kinderman).

98% 95% 90% 80%

1.8 ndice Cerunico

De acordo com KINDERMAN (1997), ndice Cerunico (IC) um parmetro que indica o nmero de dias de trovoadas por ano em uma determinada localidade.

KINDERMAN (1997) afirma que este dado mais realista quando se tem registro de muitos anos. O Observador dever registrar as trovoadas dentro de sua localidade. A distncia estimada da ao do observador de um crculo com raio de 20 km.

NDICES CERUNICOS DE LGUMAS CIDADES DO BRASIL LOCALIDADE Florianpolis Blumenau Joinville Xanxer Tubaro Porto Alegre MEDIA 54 70 76 LOCALIDADE Passo Fundo Rio de Janeiro So Paulo MEDIA 74 24 38 53 80 106

88 Curitiba 68 20 Londrina Ja

Tabela 4 - ndice Cerunico de Algumas Cidades do Brasil. Fonte: (Descargas Atmosfricas Geraldo Kinderman).

1.9 Densidade de Raios

Segundo [MOREIRA LEITE, 1999] para obter a densidade de raios (Ng) de uma regio, a partir do seu ndice Cerunicos, a IEC recomenda a equao baseada em levantamentos feitos em vrias partes do mundo: Ng = 0,04 * Td1, 25

Obs. Frmula utilizada para Calcular o nmero provvel de raios sobre uma determinada estrutura ou rea por ano.

Figura 13 - Mapa Raios por KM2*ano. Fonte: (Descargas Atmosfricas Geraldo Kinderman).

1.10 Parmetros da Edificao

De acordo com [MOREIRA LEITE, 1999] se considerarmos, avista em uma planta em forma de torre de seo circular, ou paralelepipdica diramos que a sua rea de atrao, rea de captao ou rea de exposio da estrutura poderia ser calculada por:

Torre onde: o r = ao raio, e h = altura, a rea de atrao ser: Aa = Pi * (r+h)2. Paralelepipdica onde: Alt = Altura, Larg = Largura, e Compr = Comprimento, a rea de atrao ser: Aa = (Compr*Larg)+2*(Alt*Larg) +2(Alt*Compr)+PI*(Alt*Alt).

Figura 14 - Estrutura em forma de Torre e Paraleleppeda. Fonte: (Click Especial, Microservice).

1.11 Probabilidade de Queda de Raio

MOREIRA LEITE (1999) diz que a partir da rea de atrao, calculada e da densidade de raios para a terra em uma determinada regio, pode-se calcular a probabilidade de queda de raios sobre a estrutura. Isto pode ser feito pela expresso: P = Aa*Ng*10-6. Onde: Aa a rea de atrao em m2 e Ng a densidade em [raios/km2/ ano]. O coeficiente 10-6 introduzido para acertar as unidades.

1.12 Necessidade e Nveis de Proteo

A probabilidade de uma estrutura ser atingida por um raio, ou seja, de quantos em quantos anos provvel que, em mdia, caia um raio sobre ela , pois facilmente calculveis pela expresso acima. A partir desse nmero, levando-se em conta: o material de que construda, a finalidade, a ocupao, os contedos, a existncia de estruturas nas vizinhanas e o tipo de terreno, determinar o risco de haver algum dano a essa estrutura por ocasio da queda

de um raio na sua rea de atrao. Este o mtodo utilizado na norma NBR5419-2001conforme [MOREIRA LEITE, 1999].

Sua vantagem que fornece um nmero a partir do qual a proteo obrigatria, tornando a avaliao um processo objetivo, fornecendo nveis de risco, deixando a avaliao da necessidade por conta do projetista ou do construtor. A NBR-5419-2001 leva em conta as vrias situaes relativas s estruturas e suas vizinhanas e estabelece para elas fatores de ponderao que, multiplicados pela probabilidade de queda de raio na sua rea de atrao que dar o risco de dano estrutura resultando em dano pessoal.

Como a probabilidade de uma pessoa morrer por raio de (1 morte para cada 2.000.000), o valor 10-5 foi adotado como valor referencia para o risco desprezvel, ou seja, a probabilidade sendo menor que esse nmero ser equivalente ao risco que as pessoas tm de morrer pelo simples fato de estarem vivas. Foram introduzidos 5 fatores de ponderao A, B, C, D e (correspondentes a cada situao que pode influir no risco), que so traduzidos em nmeros atravs de tabelas. O produto desses fatores pela Probabilidade P dar o valor de P0 o qual dever ser confrontado com o valor de referencia adotado e tomada deciso de se fazer ou no a proteo. A formao adotada pela NBR-5419-2001 permite adotar os valores de ponderao A, B, C, D, E, atribuindo o peso para cada um deles. [MOREIRA LEITE, 1999].

P0 = P*A*B*C*D*E A proteo ser desnecessria se P010-3. Se o calculo conduzir a um valor intermedirio, ou seja, 10-3>P0>10-5, o proprietrio e o projetista devero ter boas razes para deixar de prever um sistema de proteo contra descargas atmosfricas de acordo com as exigncias da NBR-5419-2001.

TIPO DE OCUPAO: Casas Casa com antenas externa. Fbricas, laboratrios. Escritrios, hotis, apartamentos. Museus, exposies, shopping centers, estdios. Escolas, hospitaisFonte: (NBR-5419/2001).

FATOR A: 0,3 0,7 1 1,2 1,3

1,7

Tabela 5 - Fator de Ponderao A, em funo do tipo de ocupao.

MATERIAL DE CONSTRUO: Metal revestido, cobertura no metlica. Concreto, cobertura no metlica. Metal ou concreto, cobertura metlica. Alvenaria. Madeira. Alvenaria ou madeira com cobertura metlica. Cobertura de palha.Fonte: (NBR-5419/2001).

FATOR B: 0,2 0,4 0,8 1 1,4 1,7

2

Tabela 6 - Fator de Ponderao B, em funo material da construo e da cobertura.

CONTEDO: Comum, sem valor. Sensvel a danos Subestaes, gs, radio /TV/telefnica. Museu, monumentos, valores especiais. Escolas, HospitaisFonte: (NBR-5419/2001).

FATOR C: 0,3 0,8 1 1,3 1,7

Tabela 7 - Fator de Ponderao C, em funo do Contedo.

LOCALIZAO Rodeados por arvores ou estrutura. Semi-isolada IsoladaFonte: (NBR-5419/2001).

FATOR D: 0,4 1 2

Tabela 8 - Fator de Ponderao D, em da localizao.

TOPOGRAFIA; Plancie. Colina Montanha, 300 a 900 metros. Montanha, acima de 900 metros.Fonte: (NBR-5419/2001)

FATOR E: 0,3 1 1,3 1,7

Tabela 9 - Fator de Ponderao E, em funo da topografia.

1.13 Sistemas de Protees Contra Descargas Atmosfricas

1.13.1 Introduo a sistemas de protees

Como no se pode evitar que o raio caia sobre a estrutura, deve-se empregar tcnicas de proteo que disciplinem o escoamento do raio para a terra, minimizando, ou mesmo evitando, seus efeitos danosos a estrutura, sendo que o objetivo da proteo produzir uma blindagem na estrutura protegida, de modo a evitar que o raio cause danos diretos. Os efeitos indiretos no esto totalmente protegidos e cada caso deve ser examinado de modo a produzir a melhor proteo individual possvel [KINDERMAN, 1997].

A diferena fundamental entre os mtodos de proteo contra descarga atmosfrica usados hoje sem dvida, a definio da rea protegida. Com base neste fato ser citado neste trabalho os principais mtodos de proteo:

Mtodo da Haste Vertical de Franklin. Mtodo da Malha ou Gaiola de Faraday. Mtodo do Captor Radioativo.

1.13.2 Componentes de um Sistema de Proteo

De acordo com [KINDERMAN, 1997] qualquer que seja o mtodo de proteo escolhido, um sistema de proteo tem trs sistemas de componentes, a saber:

Sistemas de Captores: tem a funo de receber os raios, reduzindo ao mnimo a probabilidade da estrutura ser atingida diretamente por eles, e deve ter capacidade trmica e mecnica para suportar o calor gerado no ponto de impacto, bem como os esforos eletromecnicos resultantes. A corroso pelos agentes atmosfricos tambm deve ser levada em conta no seu

dimensionamento, de acordo com nvel de poluio e o tipo do poluente da regio.

Sistemas de Descidas: tem a funo de conduzir a corrente do raio recebida pelos captores at o aterramento, reduzindo ao mnimo a probabilidade de descargas laterais e de campos eletromagnticos perigosos no interior da estrutura; deve ter ainda capacidade trmica suficiente para suportar o aquecimento produzido pela passagem da corrente, resistncia mecnica para suportar os esforos eletromecnicos e boa suportabilidade corroso.

Sistemas de Aterramento: tem a funo de dispersar no solo a corrente recebida dos condutores de descida, reduzindo ao mnimo a probabilidade de tenses de toque e de passo perigosas; deve ter capacidade trmica suficiente para suportar o aquecimento produzido pela passagem da corrente e, principalmente, deve resistir corroso pelos agentes agressivos encontrados nos diferentes tipos de solos.

1.13.3 Mtodo de Franklin

Este mtodo foi proposto por Franklin e tem por base uma haste elevada. Esta haste, em forma de ponta, produz sob a nuvem carregada, uma alta concentrao de cargas eltricas, juntamente com um campo eltrico intenso. Isto produz a ionizao do ar, diminuindo a altura efetiva da nuvem carregada, o que proporciona o raio atravs do rompimento da rigidez dieltrica da camada de ar. Esta proteo consiste em posicionar uma ou mais hastes de modo que o prdio protegido fique dentro da zona espacial de proteo, o raio captado pela ponta da haste transportado pelo cabo de descida e escoado na

terra pelo sistema de aterramento. Se a bitola do cabo de descida, conexes e aterramento no forem adequados, as tenses ao longo do sistema que constitui o pra-raios sero elevadas e a segurana estar comprometida.

Ao se instalar um sistema de proteo com pra-raios, deve-se ter sempre em mente o principio bsico da proteo, isto , prefervel no ter pra-raios a ter um sistema mal dimensionado ou mal instalado.

[ENGENHEIRO ESPECIALISTA, 2004].

Figura 15 - Captor tipo Franklin. Fonte: (Engenheiro Especialista).

KINDERMAN (1997) descreve que interessante registrar as polemicas que ocorreram ao longo do tempo sobre a rea ou volume efetivo de proteo proporcionado pela haste de Franklin. A regio espacial de proteo a zona protegida pelo pra-raios, isto , se o raio cair nessa zona, ele preferir o caminho atravs do pra-raios.

Muitos pesquisadores propuseram as seguintes zonas de proteo:

Gay-Lussac, em 1823, props um cilindro de altura h e raio 2h;

De Fonvill , em 1874, props um cone com vrtice na ponta da haste, formando um ngulo de 63 com a vertical;

Comisso de Paris, em 1875, props um cone idntico ao anterior formando 60 com a haste; Chapman, em 1875, props um cone formando 45 com a haste; Nelsens, em 1880, props um cone com 30.

Recentemente, verificou-se que o ngulo do cone de proteo depende da altura e do grau de proteo pretendido. A tabela abaixo mostra o ngulo de proteo em funo da altura (h) e do grau de proteo.

NGULOS DE PROTECO Grau de Proteo Altura Mxima (h) da Ponta da Haste ao Solo (m)