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Recife, Dezembro de 2011.
Recife, Dezembro de 2011.
EXECUÇÃO DE PROJETOS DE SISTEMAS DE PROTEÇÃO
EXECUÇÃO DE PROJETOS DE SISTEMAS DE PROTEÇÃO
CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS UTILIZANDO O
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CONDUTOR EM AÇO GALVANIZADO À FOGO DENTRO DA
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ESTRUTURA EM CONCRETO ARMADO
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TIAGO ARTUR CAVALCANTI LEMOS
TIAGO ARTUR CAVALCANTI LEMOS
Monografia apresentada ao curso de Monografia apresentada ao curso de Engenharia Elétrica da Universidade de Engenharia Elétrica da Universidade de Pernambuco, como parte dos requisitos Pernambuco, como parte dos requisitos necessários à obtenção do grau de necessários à obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
Engenheiro Eletricista.
ORIENTADOR: JOSÉ BIONE DE MELO ORIENTADOR: JOSÉ BIONE DE MELO FILHO
FILHO
Recife, Dezembro de 2011. Recife, Dezembro de 2011. © Tiago Artur Cavalcanti Lemos, 2011 © Tiago Artur Cavalcanti Lemos, 2011
Agradeço primeiramente a Deus, pois ele é quem rege a minha vida. Agradeço primeiramente a Deus, pois ele é quem rege a minha vida. Aos
Aos mmeus pais Feus pais Franrancisco e cisco e SSevereverina, ao mina, ao meu irmeu irmão Fão Francirancisco Jsco J únúnior eior e minha irmã Evanice pelo amor, apoio, exemplo e ensinamento dado a mim minha irmã Evanice pelo amor, apoio, exemplo e ensinamento dado a mim durante toda a minha vida.
durante toda a minha vida. Ao meu orient
Ao meu orientador Jador J osé osé Bione de Melo FBione de Melo F ilho, por ter milho, por ter me apoiado, e apoiado, mmesesmmoo com todas as dificuldades impostas pelo nosso dia a dia.
com todas as dificuldades impostas pelo nosso dia a dia.
Agradeço em especial à minha noiva e futura esposa Anna Karoline, pelo Agradeço em especial à minha noiva e futura esposa Anna Karoline, pelo amor e pela compreensão durante todos esses anos em que estamos juntos, e amor e pela compreensão durante todos esses anos em que estamos juntos, e pela força dada a mim nos momentos mais difíceis, me fazendo nunca desistir pela força dada a mim nos momentos mais difíceis, me fazendo nunca desistir dos meus objetivos.
EXECUÇÃO DE PROJETOS DE SISTEMAS DE PROTEÇÃO
CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS UTILIZANDO O
CONDUTOR EM AÇO GALVANIZADO À FOGO DENTRO DA
ESTRUTURA EM CONCRETO ARMADO
TIAGO ARTUR CAVALCANTI LEMOS
Recife, Dezembro de 2011.
Orientador: J osé Bione de Melo Filho
Área de Concentração: Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA).
Número de Páginas: 60.
O presente projeto tem como objetivo apresentar a aplicação do SPDA na forma Estrutural. É aplicado em edificações novas e possui diversos benefícios como danos estéticos mínimos à edificação a ser construída e redução de custos totais na execução do SPDA. Em 1993, a ABNT normatizou o uso em SPDA das ferragens estruturais das edificações. Entretanto, para que o sistema seja confiável, é imprescindível garantir a continuidade elétrica dos pilares, vigas e lajes (conforme item 5.1.2.5.4 da NBR-5419/2005). Como a amarração intencional dessas ferragens não é o método padrão nas edificações de concreto armado, o que geraria maiores gastos com o projetista do SPDA para acompanhamento de toda a concretagem e assim garantir a continuidade elétrica, o mais seguro é a inclusão de barras adicionais, conhecidas como RE-BARS. Nesse trabalho, será mostrada a definição do SPDA Estrutural com a utilização das RE-BARS e as vantagens se for decidido pela aplicação do mesmo, e um estudo de caso, exemplificando alguns dos procedimentos a serem seguidos para correta execução, utilizando como base o Anexo D da NBR-5429/2005.
Figura 2.1: Modelo eletro geométrico: visualização do R; ação dos raios... 16
Figura 2.2: Mapa de curvas isocerâunicas no Brasil... 23
Figura 2.3: Delimitação da área de exposição equivalente (Ae) – Estrutura vista de planta... 24
Figura 2.4: Cone de proteção pelo método de Franklin... 31
Figura 2.5: Volume de proteção do captor h≤R... 33
Figura 2.6: Volume de proteção do captor h≥R... 34
Figura 2.7: Exemplo de uma malha de captação... 35
Figura 3.1: Ferragens dentro do concreto... 37
Figura 3.2: Estaca metálica... 38
Figura 3.3: Detalhes do SPDA estrutural... 41
Figura 4.1: Edificação a ser estudada fachadas noroeste e sudeste... 44
Figura 4.2: Área de exposição da edificação em estudo... 45
Figura 4.3: ATERRINSERTS... 46
Figura 4.4: Fachadas sudoeste e nordeste... 46
Figura 4.5: Perspectiva da coberta da edificação... 47
Figura 4.6: Localização dos pilares da edificação... 49
Figura 4.7: Fundação da edificação / malha de aterramento... 50
Figura 4.8: Detalhe do quadro de equipotencialização... 52
Figura 4.9: Medição da resistência no ensaio de continuidade... 53
FIGURA 6.1 – COBERTA DO EDIFÍCIO E LOCALIZAÇÃO DAS DESCIDAS... 56
FIGURA 6.2 – DETALHES DE AMARRAÇÃO... 57
FIGURA 6.3 – DETALHE DOS CAPTORES... 58
Tabela 2.1: Fator A: Tipo de ocupação da estrutura... 25
Tabela 2.2: Fator B: Tipo de construção da estrutura... 25
Tabela 2.3: Fator C: Conteúdo da estrutura e efeitos indiretos das descargas atmosféricas... 25
Tabela 2.4: Fator D: Localização da estrutura... 26
Tabela 2.5: Fator E: Topografia da região... 26
Tabela 2.6: Espaçamento máximo entre as descidas... 28
Tabela 2.7: Bitolas dos condutores... 28
Tabela 2.8: Espessuras mínimas dos componentes do SPDA para serem usados como elementos naturais... 29
Tabela 2.9: Seleção do nível de proteção... 30
Tabela 2.10: Ângulo de proteção do método de Franklin... 31
Tabela 2.11: Raio de proteção do método eletrogeométrico... 32
Tabela 2.12: Raio de proteção do método eletrogeométrico... 33
LISTA DE ABREVIATURAS / SIGLAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR – Norma Brasileira
SPDA – Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas IEC – International Eletroteclimical Comission
RE-BAR – Barra Redonda em Aço Galvanizado a Fogo
ATERRINSERT – Conector com disco em latão e rosca fêmea M12 PPRA – Programa de Prevenção de Riscos Ambientais
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO... 10 1.1 OBJETIVOS DO TRABALHO... 11 1.1.1 Objetivo Principal... 11 1.1.2 Objeti vo Secundário... 11 1.2 METODOLOGIA UTILIZADA... 11 1.3 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA... 12 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 132.1.1 Generalidade Sobre Raios ... 13
2.1.2 Formação de Cargas ... 13
2.1.3 Formação de Descargas Atmosféricas... 15
2.1.4 Incidênci a de Raios... 17
2.2 MITOS E CRENDICES... 17
2.3 SPDA... 18
2.3.1 Definiç ão... 18
2.3.2 Níveis e Sua Corr eta Classifi cação... 19
2.3.3 Avaliação dos Riscos de Exposição... 22
2.3.4 Frequência Admissível de Danos... 24
2.3.5 Formas de Elaboração... 26
2.3.6 Níveis de Proteção ... 29
2.4 MÉTODOS DE PROTEÇÃO... 30
2.4.1 Método de Frankli n... 30
2.4.2 Método Eletrogeométrico ou Esfera Rolante... 31
2.4.2.1 Volume de Proteção um Captor com H≤R... 33
2.4.2.2 Volume de Proteção um Captor com H≥R... 33
2.4.3 Método Da Gaiol a de Faraday... 34
3. SPDA ESTRUTURAL... 36
3.1 DEFINIÇÃO... 36
3.2 PROCESSO EXECUTIVO UTILIZANDO AS RE-BARS... 37
3.2.1 Fundações... 37
3.2.2 Descidas... 39
3.2.4 Vantagens do SPDA Estr utural Util izando o Condutor Adicio nal Dentro da
Estrutura... 42
3.2.5 Recomendações Para Execução... 43
4. ESTUDO DE CASO... 44
4.1 AVALIAÇÃO DO RISCO DE EXPOSIÇÃO... 44
4.2 CRITÉRIOS PARA ELABORAÇÃO DO SPDA... 45
4.2.1 Subsis tema de Captação... 46
4.2.2 Subsist ema de Desci da... 48
4.2.3 Subsist ema de Ateramento... 49
4.2.4 Equalização de Potencial... 51
4.2.5 Ensaio de Continui dade de Armaduras ... 52
5. CONCLUSÃO... 54
6. ANEXO – PROJETO DE SPDA... 55
FIGURA 6.1 – COBERTA DO EDIFÍCIO E LOCALIZAÇÃO DAS DESCIDAS... 56
FIGURA 6.2 – DETALHES DE AMARRAÇÃO... 57
FIGURA 6.3 – DETALHE DOS CAPTORES... 58
FIGURA 6.4 – DETALHE DAS RE-BARS... 59
1. INTRODUÇÃO
Uma descarga atmosférica é um fenômeno natural que desde o início da civilização causa temor e danos. A ação de uma descarga atmosférica é fulminante, ela num curtíssimo espaço de tempo, injeta correntes da ordem de centenas de kA numa instalação, que caso não tenham nenhum sistema de proteção, provocam uma série de prejuízos e acidentes, tais como [4]:
Mortes em seres humanos causados tanto pela incidência direta,
como indireta das descargas atmosféricas;
Incêndios em florestas campos e prédios; Destruição de estruturas, tanques e árvores;
Interferências em sistemas de telecomunicações e de dados;
Acidentes em aviões, embarcações, plataformas de petróleo e
antenas;
Interrupções de fornecimento de energia elétrica.
É importante ressaltar que a despeito do grande número de pesquisas e estudos realizados durante este século, muito ainda precisa ser esclarecido no intuito de impedir a ocorrência das descargas atmosféricas. Portanto, até o momento atual, tem restado apenas fazer estudos sobre sistemas de proteção, para reduzir ao mínimo as possibilidades de prejuízos, acidentes e danos [4].
Os SPDA (Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas) vêm evoluindo anualmente. Contudo deve ser destacado que ainda não se conseguiu uma proteção completa ou totalmente efetiva para as descargas atmosféricas [4].
Assim como os métodos de proteção estão em constante evolução, sua forma de executá-los também são alvos de estudos para garantir menores custos e maior confiabilidade. As normas que regulamentam o SPDA ficaram adormecidas por aproximadamente 20 anos, quando em 1993 a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) atualizou tais normas, que formaram a NBR-5419 e tiveram como referência as normas da IEC-61024 [4].
Com a edição de tal norma, muitos conceitos foram atualizados e novas técnicas foram desenvolvidas, entre elas a possibilidade do uso de concreto armado das estruturas.
A norma dispõe de duas opções para tal sistema. A primeira consiste em simplesmente usar as ferragens do concreto armado como descidas naturais, de
modo que haja continuidade dos pilares verticalmente e obedeça à seção mínima requisitada em norma. A segunda consiste no uso de barras adicionais em aço galvanizadas a fogo, denominadas RE-BARS, às ferragens existentes, com a função de garantir a continuidade desde o solo até o topo da edificação.
O uso das ferragens de concreto armado como descidas naturais, pode acarretar em diversos problemas a serem contornados. A garantia da continuidade vertical é um dos problemas, pois na construção civil não existe tal preocupação. Para garantia da continuidade, seria necessário um profissional especializado durante a execução de toda estrutura, gerando um ônus alto.
Este trabalho consiste em apresentar a problemática da descarga atmosférica e buscar a melhor solução possível a nível de proteção, e apresentar a aplicação do SPDA Estrutural utilizando as RE-BARS dentro da estrutura como melhor solução para edificações a serem construídas.
1.1 OBJETIVOS DO TRABALHO 1.1.1 OBJETIVO PRINCIPAL
Apresentar o uso do SPDA Estrutural na execução de projetos e mostrar as vantagens de tal aplicação, com o uso da barra adicional em aço galvanizado para garantir a continuidade entre todos os pilares.
1.1.2 OBJETIVO SECUNDÁRIO
Apresentar a definição e os métodos de proteção contra descargas
atmosféricas;
Apresentar as opções de execução dos projetos de SPDA;
Mostrar com detalhes a definição e execução de um SPDA
Estrutural utilizando barras adicionais em aço galvanizado dentro do concreto armado;
Realizar um estudo de caso, mostrando a aplicação do SPDA
Estrutural na edificação a ser estudada, e com isso, obter um entendimento completo sobre tal procedimento.
Para o desenvolvimento do trabalho, foi realizada uma ampla pesquisa sobre o assunto em livros, artigos científicos, sites e catálogos de fabricantes, normas e discussões com profissionais especialistas, e seleção de todo o conteúdo para reunir os dados mais relevantes sobre o tema.
Os dados coletados foram divididos em capítulos para dar uma melhor ilustração. De início, o trabalho dar uma ilustração sobre o que é um raio, suas características e a sua formação até se tornar uma descarga atmosférica.
Após as definições de raio e descarga atmosférica, o trabalho aborda os métodos de proteção existentes segundo a norma, suas restrições e o modo correto de como utilizá-los na hora de fazer um projeto.
Após toda abordagem inicial, é mostrada a definição de um SPDA Estrutural, os procedimentos para sua correta execução e as vantagens de sua aplicação com a utilização da barra adicional dentro da estrutura.
Procurando simplificar e exemplificar o entendimento, é feito um estudo de caso, com a elaboração de um projeto de SPDA na forma Estrutural de uma edificação de utilização pública na cidade de Garanhuns/PE.
1.3 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA
O trabalho está organizado em 5 capítulos, da seguinte forma:
No capítulo 2 estão reunidos todos os conceitos necessários ao entendimento do trabalho, apresentando informações sobre como elaborar um projeto de SPDA corretamente.
O capítulo 3 aborda os conceitos do SPDA Estrutural, o roteiro para a elaboração de um projeto de SPDA Estrutural utilizando o condutor adicional dentro da estrutura e considerações que devem ser feitas para o projeto.
No capítulo 4 é feito um projeto de SPDA estrutural, com a utilização das RE-BARS dentro as estrutura, exemplificando o que foi visto nos capítulos 2 e 3, através de um estudo de caso.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 RAIOS
2.1.1 GENERALIDADE SOBRER AIOS
O raio é um fenômeno da natureza que desde os primórdios vem intrigando o homem, tanto pelo medo provocado pelo barulho, quanto pelos os danos causados. O raio, em si, é uma corrente elétrica e por isso deverá ser conduzido o mais rápido possível para o solo, minimizando seus efeitos destrutivos .
Para algumas civilizações primitivas o raio era uma dádiva dos Deuses, pois com ele quase sempre vem as chuvas e a abundância na lavoura. Para outras civilizações era considerado como um castigo e a pessoa que morria num acidente de raio, provavelmente havia irritado os Deuses e o castigo era merecido. Havia também civilizações que glorificavam o defunto atingido por um raio, pois ele havia sido escolhido entre tantos seres humanos, com direito a funeral com honras especiais [3].
Após tantas civilizações o homem acabou descobrindo que o raio é corrente elétrica e por isso deverá ser conduzida o mais rápido possível para o solo, minimizando seus efeitos destrutivos.
O primeiro cientista a perceber que se tratava de um fenômeno Físico/Elétrico, foi Benjamin Franklin (1752), que na época afirmou que após a colocação de uma ponta metálica em cima de uma casa, esta atrairia os raios para si e a edificação estaria protegida contra raios, caindo estes na ponta metálica [3].
Após alguns anos, tomou conhecimento de edificações que tinham sido atingidas e o raio não havia caído na ponta metálica. Assim sendo, reformulou-se a teoria e afirmou que a ponta metálica seria o caminho mais seguro para levar o raio até o solo com segurança caso a ponta seja atingida por um raio.
A partir daí, deu-se início aos estudos para descoberta do melhor meio para proteção de edificações contra os raios, sendo Gay-Lussac (1850) o pioneiro nos métodos de proteção, ao criar o cone de proteção para utilização das ponta metálicas (pára-raios).
Raio é um fenômeno atmosférico de danos conseqüentes, resultantes do acúmulo de cargas elétricas em uma nuvem e a conseqüente descarga sobre o solo terrestre ou sobre qualquer estrutura que seja vulnerável à descarga atmosférica. Existem várias teorias explicativas do fenômeno, entre as quais as de Simpson, Elster e Geitel.
Pela teoria de Simpson, durante uma tempestade, há correntes descendentes de ar com certa umidade, sendo que a certa altura, formam-se gotas de água, resultante da condensação do vapor d’ água. Estas gotas vão aumentando de diâmetro até ficarem grandes e caírem por ação da gravidade. Na queda, juntam-se umas às outras, aumentando de tamanho até se tornarem instáveis, aproximadamente com o diâmetro de 0,5cm. Então se fragmentam e libertam íons negativos que, juntando-se às partículas, são arrastados com violência para a parte superior e bordos da nuvem, em virtude da interferência de pequenos cristais de gelo ali existentes [3].
Pela teoria de Elster e Geitel, também foi admitida a existência das correntes ascensionais de ar úmido, formando-se gotas que, quando atingem certo peso, começam a cair. Considerando-se a superfície da terra predominantemente negativa, estas gotas grandes encontram-se, em sua queda, com gotas pequenas em ascensão, fornecendo-lhes cargas positivas e recebendo a negativa. Assim, a parte superior da nuvem torna-se positiva e a parte inferior, negativa [3].
Conclui-se que, pelas duas teorias ficou demonstrada que a parte inferior das nuvens tem cargas predominantemente negativas e a parte superior, cargas positivas. Aliás, as observações e medições das descargas que caem sobre linhas de transmissão provam que são nuvens carregadas negativamente.
2.1.3 FORMAÇÃO DEDESCARGAS ATMOSFÉRICAS
De acordo com o que foi visto anteriormente, o raio se origina da seguinte forma: as gotículas das nuvens vão se polarizando eletricamente, como uma imensa quantidade de pilhas, uma conectada a outra em linha, e muitas linhas lado a lado, concentrando uma grande potência elétrica, que tende a dissipar-se no seu meio, mas a nuvem está isolada pela distância, pois está flutuando no ar.
A descarga (raio) se dará no momento em que o potencial eletrostático for suficiente para produzir um caminho ionizado para a potência elétrica trafegar, rompendo a rigidez dielétrica, ou seja, a resistência natural da camada de ar, à passagem de corrente. Esta produção de um caminho ionizado baseia-se na propriedade de prover esta camada de ar de capacidade de conduzir corrente, através do fornecimento de íons, ou seja, elétrons livres (partículas de carga elétrica negativa). Este aumento da condutibilidade pode se dar em decorrência da presença de partículas em suspensão (poluição) ou a própria umidade da camada de ar.
O rompimento da rigidez dielétrica do ar pode acontecer devido a três fatores:
Pelo aumento da energia: a nuvem vai acumulando tanta energia,
até o ponto em que a diferença de potencial formada seja tão grande que vença a distância de isolamento;
Pela diminuição do isolamento: se há algum eventual aumento na
condutividade atmosférica;
Se há encurtamento da distância de isolamento, que ocorre: pela
aproximação de outra nuvem, havendo descarga entre elas ou quando em sua passagem, a nuvem carregada se aproxima de alguma saliência ou elevação da superfície da terra.
Com a polarização elétrica da nuvem, a terra sob a nuvem se comporta também de maneira polarizada, porém de sinal contrário.
A polarização da terra vai acompanhando o deslocamento da nuvem, como se fosse uma sombra. Em algum momento, o isolamento chega ao seu limite por excesso de energia da nuvem, melhor condutividade, ou por haver surgido um
atalho, (árvore, edifício, casa, antena, torre, pára-raios, etc.) e então ocorre a descarga elétrica (raio). Esta situação pode ser visualizada na Figura 2.1, onde se tem a nuvem flutuando no ar, carregada negativamente, o solo abaixo da mesma reagindo a esta carga de forma oposta, ou seja, positivamente, e uma edificação que serve de atalho, reduzindo a distância “R” entre a nuvem e o solo, propiciando o acontecimento da descarga atmosférica, pois a grande tensão acarretada pelas cargas negativas da nuvem consegue romper a resistência do ar, com a diminuição da distância entre a mesma e a terra.
Fazendo comparações com os tipos de formações de nuvens existentes, é possível fazer comparações e definir os tipos de nuvens carregadas existentes. De acordo com a sua carga, as nuvens podem ser classificadas como:
Nuvens menores com cargas positivas e negativas; Nuvens com cargas positivas;
Nuvens com cargas negativas;
Nuvens com cargas positivas e negativas não equilibradas.
Figura 2.1: Modelo eletro geométrico: visualização do R; ação dos raios Fonte: NBR-5419/2005
Neste deslocamento, a carga positiva induzidas vai escalando arvores, prédios, pessoas, pontes, morros, para raios, carros.
A diferença de potencial que se forma entre a nuvem e a terra varia de 10 a 1.000.000kV, sendo que a altura media da nuvem varia de 300 a 5000 metros.
Para baixa diferença de potencial, o ar é um dos melhores isolantes, para altas diferenças de potencial, até mesmo o ar começa a conduzir eletricidade, devido à quebra de sua rigidez dielétrica.
2.1.4 INCIDÊNCIA DER AIOS
Um grande número de raios ocorre principalmente em locais mais elevados, como árvores isoladas, prédios e torres. Tal fato ocorre porque o terreno mal condutor e a nuvem formam um grande capacitor.
A enorme diferença de potencial entre a nuvem e o solo provoca a ionização do ar e o aparecimento de um cheiro adocicado indicando a presença de ozônio. A ionização do ar diminui a distância de isolação entre a nuvem e o solo, havendo, portanto, maior probabilidade do raio piloto furar essa camada de ar, fazendo com que o raio caia nesse terreno isolante (mau condutor).
Como o terreno é isolante, não há condições de escoamento do raio, e esse tende a se espalhar procurando caminhos de menor resistência.
Em regiões onde há muita precipitação com tempestades, a incidência de raios também é maior.
2.2 MITOS E CRENDICES
A maioria das crendices é encontrada na zona rural, pois é lá que os efeitos diretos e indiretos são mais sentidos, devido à falta de proteção natural de outras estruturas altas (ausência de prédios) e conseqüentemente maior exposição, devido à densidade populacional menor e à falta de informação, fazendo com que a criatividade popular seja mais exercitada [2].
O corisco, a machadinha e outros sinônimos fazem o folclore se misturar com fatos reais.
É comum se encontrar na área rural pessoas que acreditam que talheres metálicos, espelhos e outros utensílios metálicos, chifre de boi, árvores, cercas metálicas, etc., atraem os raios.
Não existe nada que comprove a utilização de meios para atrair os raios. O que acontece na prática é que as estruturas mais altas (árvores, torres, prédios
etc.) por estarem mais perto das nuvens são estatisticamente as mais prováveis de serem atingidas. Isto porque, diminuem a distância entre o solo e a nuvem reduzindo o dielétrico do ar, aumentando a sua probabilidade estatística de serem atingidos por uma descarga.
A denominação de machadinha acredita-se que seja atribuída ao material fundido no solo, devido à descarga direta no solo que tenha ficado acidentalmente com um formato de machadinha. Algumas pessoas acreditam que as pontas do chifre do boi possa atrair raios [2].
Um tipo de acidente comum em áreas rurais é a queda de raios nas cercas ou próximo destas, induzindo nestas sobre tensões que podem viajar longas distancias até se dissiparem no solo, seja através de aterramento (que porventura existam) seja através do contato direto de pessoas ou animais com a cerca provocando morte por tensão de toque.
Essas correntes injetadas no solo, seja por uma descarga direta, sejam através de uma árvore, um SPDA ou mesmo uma cerca, provocam sobre tensões superficiais no solo que podem causar desde mal-estar em bípedes, até a morte de quadrúpedes. Na área rural é comum um raio matar dezenas de cabeças de gado [2].
As crendices não são privilégios só da área rural, mas também dos centros urbanos. Nestes, as mais comuns dizem que o sistema de proteção atrai os raios, que é 100% eficiente e que protege os equipamentos eletrônicos.
2.3 SPDA
2.3.1 DEFINIÇÃO
É um sistema de proteção contra raios que tem como objetivo escoar para o solo, no caminho mais curto e mais rápido possível os raios que eventualmente atinjam a edificação onde estão instalados, reduzindo os riscos de vida e de danos materiais. Um SPDA é constituído pelos sistemas de captação, descidas, anéis de cintamento (prédios altos) aterramento e equipotencialização.
Obviamente para que isso seja entendível e exequível é necessário a elaboração prévia de um projeto específico que faça a avaliação de risco, identifique o nível de proteção, o método de proteção a ser adotado, detalhe o número de descidas e o seu posicionamento correto, dimensione a malha de
aterramento e sua abrangência e as massas metálicas e outras malhas existentes para que sejam integradas ao SPDA.
Dessa forma, o principal objetivo de um SPDA é a proteção patrimonial e como conseqüência garantir a segurança das pessoas que estão no interior da edificação. Apesar do que foi citado, um SPDA nunca poderá garantir uma proteção de 100% uma vez que se trata de um evento da natureza em que o homem não tem controle. Pode-se apenas agir preventivamente.
A eficiência da proteção, assim como o custo final da obra, está diretamente ligada ao nível adotado. Assim, o nível a ser adotado deve ser criteriosamente definido para evitar sub dimensionamento ou super dimensionamento. No caso do sub dimensionamento, o projeto ficará fora de norma e o autor sujeito às penalidades da lei. No caso do super dimensionamento, o projetista estará apenas aumentando os custos finais à execução do projeto.
Para citar como exemplo, numa fábrica de explosivos a portaria pode ser nível três ou quatro (depende da quantidade de pessoas que freqüentam), o escritório pode ser nível dois de proteção (Tabela 2.9, pág. 28/29). A fábrica e nos paióis onde o material perigoso é manuseado ou armazenado deverá ser nível um de proteção e o galpão de sucata pode ser nível quatro de proteção ou até mesmo dispensar proteção [2].
Se a proteção for dimensionada como sendo nível um para todas as edificações o custo final da obra será muito maior.
Na elaboração do projeto de SPDA é de suma importância a realização de visitas técnicas para coletar dados e investigar todo o processo produtivo para definir os níveis de proteção adequados.
Quanto aos equipamentos eletrônicos, estes são facilmente queimados pela interferência eletromagnética provocada por um raio que caia a algumas centenas de metros da sua edificação ou na edificação propriamente dita. Neste caso, devem ser tomadas medidas eficazes para reduzir as sobretensões a níveis suportáveis dos equipamentos, podem proteger estes dos efeitos dos raios.
2.3.2 NÍVEIS E SUA CORRETACLASSIFICAÇÃO
Para o dimensionamento de um SPDA o primeiro passo consiste em responder a seguinte pergunta: “A edificação precisa ser protegida ou não?”. Para
respondê-la, seria necessário fazer o calculo estatístico de necessidade de SPDA, que será mostrado mais adiante.
A norma cita que, se a edificação for classificada como nível 1 ou 2, já está evidenciado que precisa ser protegida, porém se for classificada como nível 3 ou 4, então é necessário recorrer ao anexo B da NBR-5419/2005 para fazer uma verificação. É importante também mencionar que a norma exige que, caso um SPDA não seja necessário, é obrigatório que o anexo B seja feito e documentado para que fique efetivamente documentada a não-necessidade e alguém seja responsável pela decisão da não instalação.
São quatro os níveis de proteção, indo desde o nível 1 (mais rigoroso) até o nível 4 (menos rigoroso). A classificação correta do nível de proteção é importantíssima, pois essa escolha irá determinar o rumo do projeto, bem como os custos de implantação. Na verdade a escolha do nível de proteção é a escolha de uma relação custo–benefício, uma vez que quanto mais rigoroso for o nível de proteção mais onerosa será a instalação. Assim, em edificações de maior risco (risco próprio ou coletivo), a proteção é mais exigente, e de riscos menores a proteção será menos exigente.
No nível 1 temos materiais perigosos que podem provocar contaminação de pessoas e meio ambiente ou mesmo explosão, podendo atingir comunidades próximas. Nesse caso existe o risco próprio da edificação e também existe o risco de vida coletivo.
No nível 2 o risco maior e de vida, uma vez que se trata de locais com concentração de pessoas (edifícios comerciais), com possibilidade de gerar pânico e consequentemente risco de vida.
No nível 3 existe baixo risco de vida e material (edifícios residenciais). No nível 4 praticamente não existem riscos materiais nem de vida.
Em resumo, fica claro por que nos níveis 1 e 2 a proteção é obrigatória, já os níveis 3 e 4 deverão ser ponderados através do anexo B para verificar a real necessidade de proteção.
Outro dado interessante e que a norma cita é que caso o proprietário queira se sentir seguro, mesmo que a memória de cálculo indique a não-necessidade, torna-se uma evidência para a instalação do SPDA. Alguns cuidados devem ser tomados na hora de fazer a classificação do nível de proteção, uma vez que em indústrias aparentemente inocentes podem existir
materiais potencialmente inflamáveis que numa análise superficial podem passar despercebidos, por exemplo: indústrias que liberem microfibras ou pós de grãos ou ainda pós de carvão ou coque, sem falar nos solventes ou produtos químicos que provoquem a liberação de gases perigosos quando entram em reação química com outros produtos.
Todos esses riscos podem fazer com que a classificação do nível de proteção tenha que ser repensada. É sempre recomendável fazer visitas técnicas no local, para, além de fazer os testes da resistividade do solo (exigidos na norma), seja feita uma avaliação bem criteriosa dos riscos.
Outro dado importante é que ao longo do tempo o cliente pode mudar as atividades dentro da edificação, e nas vistorias anuais deverá ser checada a necessidade de adaptação do SPDA ou não, de acordo com a utilização atual.
Outra questão interessante é em relação à classificação de algumas estruturas que parecem óbvias, mas não são. Exemplo: a caixa d’água de uma empresa que nível de proteção será? E se essa caixa d’água for parte integrante do processo produtivo, cuja parada devido a um raio possa trazer prejuízos enormes? Ou no caso de uma caixa d’água que alimenta uma comunidade? Ou mesmo uma caixa d’água de incêndio? Pode ser visto que, dependendo de quem faz a analise, o nível pode ir de 4 para 1, dependendo da responsabilidade dessa estrutura.
A mesma situação pode acontecer, por exemplo, numa indústria de explosivos. Aparentemente trata-se de uma indústria de nível 1. Mas se a empresa estiver dentro das normas do exército quanto ao armazenamento de explosivos, as edificações de apoio, tais como escritórios, portarias, vestiários, refeitórios, não são nível 1, uma vez que por lei não podem ter materiais explosivos em seu interior. Possivelmente o galpão e os paióis seja nível 1, mas as demais edificações talvez seja nível 2, 3 ou 4. A classificação correta por edificação pode trazer redução dos custos expressivos na implantação do sistema [2].
No caso de edificações de uso misto (residencial e comercial) ou casos duvidosos, deverá ser adotado sempre o nível mais rigoroso. Se, por exemplo, uma edificação for classificada como nível 3 quando na verdade deveria ser nível 1 e ocorra um acidente, a perícia poderá determinar que aconteceu um erro de
projeto, ou seja, nível de proteção inadequado com o risco da edificação classificada como ato de negligência [2].
Se a edificação era de nível 3 e foi protegida como nível 1, não houve negligência,apenas a proteção foi superdimensionada, gastando mais dinheiro do cliente do que eventualmente seria necessário. Por isso é importante não cometer erros e fazer uma ponderação correta antes de atribuir o nível de proteção [2]. 2.3.3 AVALIAÇÃO DOS RISCOS DEEXPOSIÇÃO
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 descargas atmosféricas para a terra (Ng) é o número de raios para a terra por km² por ano. O valor de Ng para uma determinada região pode ser estimada pela seguinte equação:
Ng =0,04*(Td)^1,25 [por km²/ano] (2.1)
Onde Td é o número de dias de trovoada por ano, obtido de mapas isocerâunicos.
Figura 2.2: Mapa de curvas isocerâunicas no Brasil Fonte: NBR-5419/2005
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. Os limites da área de exposição equivalente estão afastados do perímetro da estrutura por uma distância correspondente à altura da estrutura no ponto considerado. Seu valor é determinado pela seguinte equação:
Ae = LW + 2LH + 2WH + π* H² [m²] (2.2)
Assim, para uma estrutura retangular simples de comprimento L, largura 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, conforme a figura 2.3.
Figura 2.3: Delimitação da área de exposição equivalente (Ae) – Estrutura vista de planta.
Fonte: NBR-5419/2005
A freqüência média anual previsível (Nd) de descargas atmosféricas sobre uma estrutura é determinada por:
Nd =Ng* Ae* 10^-6 [por ano] (2.3)
2.3.4 FREQUÊNCIA ADMISSÍVEL DED ANOS
Para a freqüência média anual admissível de danos (Nc) valem os seguintes limites, reconhecidos internacionalmente e os seus fatores coletados pelas Tabelas 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 e 2.5.
a) Riscos maiores que 10^-3 (isto é, 1 em 1 000) por ano são considerados inaceitáveis;
b) Riscos menores que 10^-5 (isto é, 1 em 100 000) por ano são, em geral, considerados aceitáveis.
Nas tabelas 2.1 a 2.5, são fornecidos os principais fatores importantes para que se possam obter parâmetros e determinar se uma edificação necessita ou não da aplicação do SPDA.
Tipo de ocupação Fator A
Casas e outras estruturas de porte equivalente 0,3
Casas e outras estruturas de porte equivalente com antena externa 0,7
Fábricas, oficinas e laboratórios 1,0
Edifícios de escritórios, hotéis e apartamentos, e outros edifícios residenciais não
incluídos abaixo 1,2
Locais de afluência de público (por exemplo: igrejas, pavilhões, teatros, museus, exposições, lojas de departamento, correios, estações e aeroportos, estádios de
esportes) 1,3
Escolas, hospitais, creches e outras i nstituições, estruturas de múltiplas
atividades 1,7
Tabela 2.1: Fator A: Tipo de ocupação da estrutura. Fonte: NBR-5419/2005
Tipo de construção 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 1,0
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 2,0
*Estruturas de metal aparente que sejam contínuas até o nível do solo estão excluídas desta tabela, porque requerem apenas um subsistema de aterramento.
Tabela 2.2: Fator B: Tipo de construção da estrutura. Fonte: NBR-5419/2005
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 1,0
Indústrias estratégicas, monumentos antigos e prédios h istóricos, 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 *Instalação de alto valor ou materiais vulneráveis a incêndios e às suas conseqüências.
Tabela 2.3: Fator C: Conteúdo da estrutura e efeitos indiretos das descargas atmosféricas.
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 1,0
Estrutura completamente isolada, ou que ultrapassa, no mínimo, duas vezes a
altura de estruturas ou árvores próximas 2,0
Tabela 2.4: Fator D: Localização da estrutura. Fonte: NBR-5419/2005
Topografia Fator E
Planície 0,3
Elevações moderadas, colinas 1,0
Montanhas entre 300 m e 900 m 1,3
Montanhas acima de 900 m 1,7
Tabela 2.5: Fator E: Topografia da região. Fonte: NBR-5419/2005
Após feita a avaliação das estruturas, que em muitos casos é uma tarefa complicada, chega-se ao resultado.
Se o resultado obtido for consideravelmente menor que 10^-5 (1 em 100 000) e não houver outros fatores preponderantes, a estrutura dispensa proteção. Se o resultado obtido for maior que 10^-5, por exemplo, 10^-4 (1 em 10 000), devem existir razões bem fundamentadas para não instalar um SPDA.
2.3.5 FORMAS DEELABORAÇÃO
O SPDA é formado de vários componentes que fazem canalizar essa energia até o solo; dentre os quais destacam-se:
Captação:
a) Tem a função de receber as descargas que vem do topo da edificação e distribuir pelas descidas;
b) São compostas por elementos metálicos, como mastros ou condutores com os seus devidos tamanhos decorrentes do dimensionamento de cada edificação.
Descidas:
a) Recebem as correntes oriundas das descargas atmosféricas que são distribuídas pela captação onde são descarregadas até o solo. Nas edificações
com altura superior a 20 metros tem a função de receber as descargas laterais, assumindo também a função de captação devendo os condutores serem dimensionados para tal descarga;
b) No nível do solo as descidas deverão ser interligadas com cabo de cobre nú com seção de 50mm² (no mínimo).
Anéis de cintamento:
Os anéis de cintamento assumem duas importantes funções:
a) A Primeira é equalizar os potenciais de descidas minimizando assim o campo elétrico dentro da edificação;
b) a Segunda é receber descargas laterais e distribuí-las pelas descidas. Neste caso também deverão ser dimensionadas como captação.
Sua Instalação devera ser executada a cada 20 metros de altura interligando todas as descidas.
Aterramento:
a) Recebe as correntes elétricas das descidas no solo;
b) tem também a função de equalizar os potenciais das descidas e os potenciais no solo, devendo ter preocupação com os locais de freqüência de pessoas, minimizando as tensões de passo nestes locais;
c) para um bom dimensionamento da malha de aterramento é imprescindível a execução de uma prospecção da resistividade do solo previamente.
Equalização de potenciais internos:
a) A equalização dos potenciais de todas as estruturas e massas metálicas que poderão provocar acidente às pessoas, faiscamentos ou explosões;
b) no nível do solo e dos anéis de cintamento (cada 20 metros de altura), devem ser equalizados os aterramentos de aparelhos eletrônicos, de elevadores (inclusive trilhos metálicos), tubulações metálicas de incêndio, gás (inclusive o piso da casa de gás), água fria, água quente, recalque, etc.;
c) para tal deverá ser definido, uma posição estratégica para instalação de uma caixa de equalização de potenciais que deverá ser interligada à malha de aterramento e interligando as diferentes prumadas metálicas já mencionadas. Para prédios as diversas LEP’s (Ligações Equipotenciais Principais), devem ser interligadas através de uma prumada específica de cabo de cobre com seção de 16 mm2;
d) a ligação da caixa de equalização bem como as tubulações metálicas poderá ser executada com cabo de cobre de seção 16 mm² antes da execução do contra piso dos apartamentos localizados nos níveis dos anéis de cintamento. A amarração das diferentes tubulações metálicas poderá ser executada por fita perfurada estanhada (bi metálica) que possibilita a conexão com diferentes tipos de metais e diâmetros variados, diminuindo também a indutância do condutor devido à sua superfície chata.
As tabelas 2.6 e 2.7 mostram, respectivamente, o espaçamento máximo entre as descidas e a bitola mínima dos condutores na elaboração de um SPDA.
Nível de proteção Espaçamento máximo entre as descidas (m)
I 10
II 15
III 20
IV 25
Tabela 2.6: Espaçamento máximo entre as descidas. Fonte: www.spda.com.br Nível de Proteção MATERIAL CAPTAÇÃO DESCIDAS H até 20mt H>20mt ANEIS DE INTAMENTO ATERRAMENTO Equalizações Alta Corrente Equalizações Baixa corrente Cobre 35 16 35 35 50 16 6 I a IV Alumínio 70 25 70 70 -- 25 10 Aço Galv. A Fogo 50 3/8” (*) 50 3/8” (*) 50 3/8” (*) 50 3/8” (*) 80 7/16” (*) 50 16 Unidades mm mm mm mm mm mm mm
Tabela 2.7: Bitolas dos condutores. Fonte: www.spda.com.br
Obs. : As bitolas acima se referem á seção transversal dos condutores em mm2. G.F. =galvanizado a fogo (quente).
(*) – Cordoalha Galvanizada a fogo tipo SM 7 fios
A NBR-5419/2005 cita alguns elementos que podem ser utilizados como captores, descidas e aterramentos naturais, desde que obedeçam aos requisitos mínimos da norma.
Por exemplo, telhas metálicas podem ser utilizadas como captores naturais, desde que tenha a espessura mínima de 0,5mm, lembrando que a maioria das telhas comerciais tem a espessura de 0,43mm, não atendendo ao requisito mínimo.
A tabela 2.8 mostra as espessuras mínimas para componentes a serem utilizados como elementos naturais de um SPDA.
Material Captores Descidas 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 Unidade: mm NP Q - não gera ponto quente
NPF - não perfura PPF - pode perfurar
Tabela 2.8: Espessuras mínimas dos componentes do SPDA para serem usados como elementos naturais.
Fonte: www.spda.com.br
2.3.6 NÍVEIS DEPROTEÇÃO
A NBR-5419/2005 define quatro níveis de proteção, relacionados na tabela 2.9:
TIPO DE EDIFICAÇ O N VEL DE PROTEÇ O
Edificações de explosivos , Inflamáveis, Indústrias Químicas , Nucleares , Laboratórios bioquímicos , Fábricas de munição e
fogos de artifício , Estações de telecomunicações usinas Elétricas , Indústrias com risco de incêndio ,Refinarias, etc.
NÍVEL I
Edifícios Comerciais, Bancos , Teatros , Museus , Locais arqueológicos , Hospitais , P risões , Casas de repouso , Escolas
, Igrejas , reas esportivas N VEL II Edifícios Residenciais ,Indústrias, Casas residenciais ,
Estabelecimentos agropecuários e Fazendas com estrutura em
madeira. NÍVEL III
Galpões com sucata ou de conteúdo desprezível , Fazendas e
Estab.Agrop. com estrut. em madeira NÍVEL IV
Tabela 2.9: Seleção do nível de proteção Fonte: www.spda.com.br
2.4 MÉTODOS DE PROTEÇÃO
Até 1993, a norma NB-165 apenas considerava o método Franklin com 60 graus de abertura do ângulo de proteção para todas as edificações, exceto nas áreas classificadas onde se usava 45 graus. A NBR-5419 surgiu no Brasil em 1993 tendo como fundamento a IEC62305. Nesta data, além do tradicional Método Franklin foram acrescentados o método Eletrogeométrico (Esfera Rolante) e Gaiola de Faraday.
2.4.1 MÉTODO DE FRANKLIN
É composto por um ou mais captores de quatro pontas, montado sobre mastro cuja altura deve ser calculada conforme as dimensões da edificação, podendo haver vários em um sistema de pára-raios.
Este método é baseado na proposta inicial de Franklin e tendo várias propostas de alteração quanto ao ângulo de proteção.
A sua abrangência de proteção é formada pelo cone formado em torno do eixo vertical de um triangulo retângulo com a hipotenusa, mostrado na figura a seguir:
Figura 2.4: Cone de proteção pelo método de Franklin A fórmula para obtenção do raio, como mostra a figura 4, é:
R=tg do ângulo*H (2.4)
O ângulo de proteção, de acordo com o nível de segurança, é mostrado na tabela a seguir:
Nível de
proteção 0 a 20m Altu ra d a estru tura a s er protegida21 a 29m 30 a 44m 45 a59m
I 25° A A A
II 35° 25° A A
III 45° 25° 25° A
IV 55° 45° 35° 25°
Tabela 2.10: Ângulo de proteção do método de Franklin
A = aplicar Gaiola de Faraday ou Esfera Rolante, pois a estrutura está sujeita à descargas laterais.
Caso exista mais de um captor no projeto, deve-se ser acrescentado 10° ao ângulo de proteção.
2.4.2 MÉTODO ELETROGEOMÉTRICO OU ESFERA ROLANTE
É baseado em estudos feitos a partir de registros fotográficos, da medição dos parâmetros dos raios, dos ensaios em laboratórios de alta tensão, do emprego das técnicas de simulação e modelagem matemática. Surgiu inicialmente para as linhas de transmissão e foi depois simplificado para aplicação às estruturas.
No modelo eletrogeométrico, supõe-se que o líder descendente caminha na direção vertical em direção a terra em degraus dentro de uma esfera cujo raio
depende da carga da nuvem ou da corrente do raio e será desviado de uma trajetória por algum objeto aterrado.
A descarga se dará no ponto em que a esfera tocar esse objeto ou na terra, aquele que ocorrer primeiro.
O raio da esfera R, é denominado distância de atração ou distância de disrupção. R é a distância 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 por:
R =10 x Imáx^0,65 [metros] (2.5)
Sendo Imáx o valor de crista máximo do primeiro raio negativo, em
quiloampéres.
Para aplicação às estruturas são admitidas algumas hipóteses simplificadoras relacionadas a seguir:
Somente são consideradas as descargas negativas iniciadas
nas nuvens;
O líder descendente é vertical e sem ramificações;
As descargas se dão em uma esfera de raio igual à distância
de atração;
A descarga final se dá para o objeto aterrado mais próximo,
independente de sua massa ou condições de aterramento;
As hastes verticais e os condutores horizontais têm o mesmo
poder de atração;
A probabilidade de ser atingida a terra ou uma estrutura
aterrada é a mesma.
Embora tais hipóteses se afastem um pouco da realidade, o modelo continua válido se seguidos às orientações da norma.
A NBR-5419/2005 fixa os seguintes valores de R em correspondência aos níveis de proteção:
Nível de proteção I II III IV
Raio da esfera (m) 20 30 45 60
Tabela 2.11: Raio de proteção do método eletrogeométrico. Fonte: NBR-5419/2005
A tabela abaixo mostra os valores de Imáxem função de R
Nível de proteção R (m) Imáx (kA)
I 20 3
II 30 5
III 45 10
IV 60 15
Tabela 2.12: Raio de proteção do método eletrogeométrico. Fonte: NBR-5419/2005
2.4.2.1 VOLUME DE PROTEÇÃO UMCAPTOR COMH≤R
Traça-se uma linha horizontal à altura R do solo e um arco de circunferência de raio R com centro no topo do captor. Em seguida, com centro no ponto de interseção P e raio R, traça-se um arco de circunferência que atinge o topo do captor e o plano do solo. O volume de proteção é delimitado pela rotação da área A em torno do captor.
Figura 2.5: Volume de proteção do captor h≤R
Fonte: NBR-5419/2005
2.4.2.2 VOLUME DE PROTEÇÃO UMCAPTOR COMH≥R
Mediante procedimento análogo ao descrito em 2.4.2.1, pode-se determinar o volume de proteção para estruturas de grande altura. Neste caso, como o ilustrado na figura 2.6, verifica-se que a altura eficaz do captor é R, pois sobre a altura excedente podem ocorrer descargas laterais.
Figura 2.6: Volume de proteção do captor h≥R
Fonte: NBR-5419/2005
Como foi visto acima, o método Eletrogeométrico é o “primo em primeiro grau” do método Franklim, porém com tangente de proteção parabólica ao invés de reta. Sua maior eficiência é também, assim como o método de Franklin, em edificações pequenas e baixas uma vez que sua proteção varia em função da altura e do nível de proteção adotado.
Comenta-se que nas próximas edições da NBR-5419, o método de Franklin poderá ser retirado, devido à existência do método Eletrogeométrico e sua maior eficiência usando o mesmo princípio.
2.4.3 MÉTODO D A G AIOLA DE F ARADAY
Este método é o mais usado na Europa, é baseado na teoria de Faraday, segundo a qual o campo no interior de uma gaiola é nulo, mesmo quando passa por seus condutores uma corrente de valor elevado.
Para que o campo seja nulo, na verdade, é preciso que a corrente se distribua uniformemente por toda a superfície. O campo será nulo, na realidade, no centro da gaiola, mas nas proximidades dos condutores haverá sempre um campo que poderá dar tensões induzidas em condutores das instalações elétricas que estejam paralelos aos condutores da malha.
A proteção máxima no caso do método de Faraday é obtida quando a estrutura é envolvida por uma caixa metálica de paredes soldadas e de espessura suficiente para suportar o efeito térmico do raio no ponto de impacto.
Como esta solução raramente pode ser adotada, o método de Faraday consiste em instalar um sistema de captores formado por condutores horizontais interligados em forma de malha.
A distancia entre os condutores ou a abertura da malha está relacionada ao nível de proteção desejado. Quanto menor à distância entre os condutores da malha, melhor será a proteção obtida.
A NBR-5419/2005 fixa as dimensões básicas da malha para cada nível de segurança, onde o módulo da malha deverá constituir um anel fechado, com o comprimento não superior ao dobro da sua largura,mostrado na tabela a seguir:
Nível de proteção Largura máxima da malha(m) Comprimento máximo da malha(m)
I 5 10
II 10 20
III 10 20
IV 20 40
Tabela 2.13: Dimensões da malha de proteção pelo método de Faraday. A figura a seguir mostra um exemplo da malha captora:
Figura 2.7: Exemplo de uma malha de captação Fonte: Mamede Filho (2007)
3. SPDA ESTRUTURAL
3.1 DEFINIÇÃO
Este sistema foi “batizado” de Estrutural pelo simples motivo de ser instalado juntamente com a estrutura de concreto armado do prédio, distinguindo-se assim dos demais sistemas externos.
A ABNT normatizou o uso em SPDA das ferragens estruturais das edificações em 1993. Os principais diferenciais deste novo conceito são: grande dispersão da corrente de descarga, minimizando o risco de centelhamentos perigosos, e a eliminação de interferências estéticas causadas por condutores de descida nas fachadas das edificações.
A NBR-5419/2005 dispõe de duas opções para tal sistema. A primeira consiste em simplesmente usar as ferragens do concreto armado como descidas naturais, de modo que haja continuidade dos pilares verticalmente e obedeça à seção mínima requisitada em norma. A segunda consiste no uso de barras adicionais em aço galvanizadas a fogo, denominadas RE-BARS, às ferragens existentes, com a função de garantir a continuidade desde o solo até o topo da edificação.
As RE-BARS encontradas no mercado possuem diâmetros de 8mm (50mm²), 3/8”(70mm²) e 10mm (80mm²), e comprimento variando entre 3,0m e 4,0m, dependendo do fabricante. As RE-BARS devem ser dimensionadas de acordo com a tabela 2.7.
O uso das ferragens de concreto armado como descidas naturais pode acarretar em diversos problemas a serem contornados. A garantia da continuidade vertical é um dos problemas, pois na construção civil não existe tal preocupação, pois a continuidade das armaduras é estruturalmente desnecessária. Para garantia da continuidade, seria necessária a presença de um profissional especializado durante a execução de toda estrutura, gerando um ônus alto.
Por isso, na maioria dos casos, o SPDA Estrutural utilizando as RE-BARS dentro da estrutura é o método mais recomendado para edificações novas e também o método mais econômico, se comparado aos sistemas externos desde que instalados a partir das fundações.
3.2PROCESSO EXECUTIVO UTILIZANDO AS RE-BARS
3.2.1 FUNDAÇÕES
De acordo com a tabela 2.7, a RE-BAR a ser utilizada para aterramento nas fundações será de 80mm². Pelo menos uma sapata ou tubilão de fundação para cada pilar da torre-tipo deverá ter uma RE-BAR amarrada às demais ferragens, desde o ponto mais profundo até os blocos dos pilares. As RE-BARS também deverão ser instaladas nas vigas baldrames, horizontalmente, quando existirem, de modo a interligar todos os pilares da torre-tipo. A interligação de uma RE-BAR vertical com outra horizontal é bem ilustrada na figura 6.2. Essa medida atende também a norma NBR-5410/2005.
Existem diversos tipos de fundação, entre elas, as mais usuais são: estaca Franki, estaca Strauss, estaca pré-moldada redonda (centrifugada) e quadrada, estaca trilho, tubulão mecanizado ou manual, hélice contínua, fundação direta, radie plano e não plano etc [2].
Independente do tipo de estaca, o procedimento de instalação é o mesmo citado acima, garantindo a continuidade das RE-BARS através de três clips galvanizados instalados num transpasse de 20cm.
Figur a 3.1: RE-BAR dentro da fundação Fonte: www.spda.com.br
Para a estaca Franki, Strauss e Tubulão o procedimento é o mesmo e Para a estaca Franki, Strauss e Tubulão o procedimento é o mesmo e consiste na colocação da RE-BAR dentro das fundações, o mais profundo consiste na colocação da RE-BAR dentro das fundações, o mais profundo possível, sem, no entanto, atingir o solo (aproximadamente 20 cm), pois a acidez possível, sem, no entanto, atingir o solo (aproximadamente 20 cm), pois a acidez deste poderá corroer a barra, mesmo sendo galvanizada a fogo [2].
deste poderá corroer a barra, mesmo sendo galvanizada a fogo [2]. No caso da fundação rasa, o procedimento é o mesmo. No caso da fundação rasa, o procedimento é o mesmo.
Não é necessário colocar a barra em todas as fundações, bastando apenas Não é necessário colocar a barra em todas as fundações, bastando apenas um tubulão/estaca para cada pilar, assim, o número de fundações aterradas um tubulão/estaca para cada pilar, assim, o número de fundações aterradas coincide com o número de pilares do pavimento tipo.
coincide com o número de pilares do pavimento tipo.
No caso de fundação com trilho metálico, é dispensado o uso da RE-BAR No caso de fundação com trilho metálico, é dispensado o uso da RE-BAR na fundação vertical, pois o próprio trilho já funciona como aterramento natural na fundação vertical, pois o próprio trilho já funciona como aterramento natural atingindo grandes profundidades. A RE-BAR deverá ser soldada no topo do trilho, atingindo grandes profundidades. A RE-BAR deverá ser soldada no topo do trilho, atravessar o bloco e entrar nos pilares, como mostra a figura 3.2.
atravessar o bloco e entrar nos pilares, como mostra a figura 3.2.
Figur
Figura 3.2a 3.2:: Estaca metálicaEstaca metálica Fonte:
Fonte: www.spda.com.brwww.spda.com.br
No caso de estaca pré-moldada de concreto centrifugada, o procedimento No caso de estaca pré-moldada de concreto centrifugada, o procedimento será o mesmo da estaca trilho, visto as estacas terem seus ferros soldados nos será o mesmo da estaca trilho, visto as estacas terem seus ferros soldados nos anéis
No caso de fundação direta devera ser adotado o mesmo critério das No caso de fundação direta devera ser adotado o mesmo critério das fundações escavadas.
fundações escavadas.
Para o sistema de aterramento, também pode ser feita uma malha de Para o sistema de aterramento, também pode ser feita uma malha de aterramento utilizando cabo de cobre nu com hastes de aterramento, desde que aterramento utilizando cabo de cobre nu com hastes de aterramento, desde que dimensionado corretamente e interligado a todas as descidas. Porém é dimensionado corretamente e interligado a todas as descidas. Porém é desaconselhável na maioria dos casos, porque geraria maior ônus à obra.
desaconselhável na maioria dos casos, porque geraria maior ônus à obra. 3.2.2
3.2.2 DDESCIDASESCIDAS
Deverão ser instalados RE-BARS em todos os pilares, mesmo que a Deverão ser instalados RE-BARS em todos os pilares, mesmo que a distância entre eles seja bem menor que a distância máxima citada na tabela 6, distância entre eles seja bem menor que a distância máxima citada na tabela 6, garantindo assim maior dispersão da corrente para o solo.
garantindo assim maior dispersão da corrente para o solo.
As RE-BARS deverão ser fixadas na parte interna dos estribos do pilar, As RE-BARS deverão ser fixadas na parte interna dos estribos do pilar, correndo paralelas às demais ferragens estruturais. Nos pilares externos (de correndo paralelas às demais ferragens estruturais. Nos pilares externos (de fachada), recomenda-se colocar a RE-BAR na face mais externa do pilar, sem fachada), recomenda-se colocar a RE-BAR na face mais externa do pilar, sem invadir o cobrimento, de modo a receber as descargas laterais que só atingem invadir o cobrimento, de modo a receber as descargas laterais que só atingem estes. Nos pilares internos, sua localização poderá ser em qualquer face, porém estes. Nos pilares internos, sua localização poderá ser em qualquer face, porém sempre dentro do estribo, sem invadir o cobrimento e nunca no centro (núcleo) do sempre dentro do estribo, sem invadir o cobrimento e nunca no centro (núcleo) do pilar.
pilar.
No cruzamento das ferragens verticais dos pilares com ferragens No cruzamento das ferragens verticais dos pilares com ferragens horizontais das vigas, lajes e blocos, a RE-BAR deverá ser obrigatoriamente horizontais das vigas, lajes e blocos, a RE-BAR deverá ser obrigatoriamente ligada, através de ferro comum em forma de “L”, de Ø3/8", com 20 cm por 20 cm, ligada, através de ferro comum em forma de “L”, de Ø3/8", com 20 cm por 20 cm, amarrado com arame (arame recozido, comum), e as demais ferragens verticais amarrado com arame (arame recozido, comum), e as demais ferragens verticais deverão ser amarradas em posições alternadas (uma sim, uma não), conforme os deverão ser amarradas em posições alternadas (uma sim, uma não), conforme os detalhes “5, 6 e 7” da figura 3.3. Estas amarrações deverão ser repetidas em detalhes “5, 6 e 7” da figura 3.3. Estas amarrações deverão ser repetidas em todas as lajes, com todos os pilares que pertencem ao corpo do prédio.
todas as lajes, com todos os pilares que pertencem ao corpo do prédio.
Para o cruzamento com os estribos dos pilares, é necessária apenas a Para o cruzamento com os estribos dos pilares, é necessária apenas a amarração utilizando o arame recozido.
amarração utilizando o arame recozido.
Os ferros em “L” utilizados para ligação das ferragens geralmente são Os ferros em “L” utilizados para ligação das ferragens geralmente são obtidos através de sobras da construção, sem gerar custos adicionais com obtidos através de sobras da construção, sem gerar custos adicionais com m
material e aterial e mmão-de-ão-de-obra desprezívobra desprezível.el.
Ao chegar à última laje, alguns pilares morrem e outros nascem. Os pilares Ao chegar à última laje, alguns pilares morrem e outros nascem. Os pilares que morrem devem ser interligados com os que continuam para os níveis que morrem devem ser interligados com os que continuam para os níveis
superiores. Tal interligação é feita com RE-BAR na horizontal, dentro de laje e superiores. Tal interligação é feita com RE-BAR na horizontal, dentro de laje e vigas como é mostrado na figura 3.3.
vigas como é mostrado na figura 3.3.
A continuidade elétrica (emenda) das RE-BARS é feita por transpasse de A continuidade elétrica (emenda) das RE-BARS é feita por transpasse de 20 cm, onde são usados três clips galvanizados por conexão, com diâmetro 20 cm, onde são usados três clips galvanizados por conexão, com diâmetro variando entre 8mm e 10mm.
variando entre 8mm e 10mm. 3.2.3
3.2.3 CC A APTAPTAÇÃÇÃOO
O sistema de captação deve ser dimensionado de acordo com os métodos O sistema de captação deve ser dimensionado de acordo com os métodos de proteção mostrados em 2.4, obedecendo a todos os critérios definidos pela de proteção mostrados em 2.4, obedecendo a todos os critérios definidos pela norma.
norma.
O sistema de descida composto pelas RE-BARS deve ser conectado ao O sistema de descida composto pelas RE-BARS deve ser conectado ao sistema de captação.
sistema de captação.
Ao ultrapassar a última laje, as RE-BARS podem tomar dois destinos: Ao ultrapassar a última laje, as RE-BARS podem tomar dois destinos: permanecer na posição vertical tornando-se terminais aéreos (figura 3.3, detalhe permanecer na posição vertical tornando-se terminais aéreos (figura 3.3, detalhe “9” – captação por cima), ou serem encaminhadas para a posição horizontal “9” – captação por cima), ou serem encaminhadas para a posição horizontal externa à edificação, em terraços e coberturas com acesso de pessoas (figura externa à edificação, em terraços e coberturas com acesso de pessoas (figura 3.3, detalhe “8” - captação por fora).
3.3, detalhe “8” - captação por fora).
Para prédios onde existe acesso ao público na cobertura, recomenda-se a Para prédios onde existe acesso ao público na cobertura, recomenda-se a captação direcionada para o lado de fora do parapeito ou platibanda, reduzindo captação direcionada para o lado de fora do parapeito ou platibanda, reduzindo assim os riscos de acidentes pessoais pelo contato direto com o SPDA, assim os riscos de acidentes pessoais pelo contato direto com o SPDA, depredações no sistema e o medo que é provocado pela sua presença. Neste depredações no sistema e o medo que é provocado pela sua presença. Neste caso as RE-BARS são interligadas na horizontal, pelo lado de fora do parapeito caso as RE-BARS são interligadas na horizontal, pelo lado de fora do parapeito (pingadeira/soleira/algerosa) com cabo de cobre nu #35mm² ou Barra chata de (pingadeira/soleira/algerosa) com cabo de cobre nu #35mm² ou Barra chata de Alumínio (por questões estéticas).
Alumínio (por questões estéticas).
Nos locais onde não existe fácil acesso ao público, as Barras deverão sair Nos locais onde não existe fácil acesso ao público, as Barras deverão sair por cima dos parapeitos (telhado de cobertura, casas de máquinas, tampa de por cima dos parapeitos (telhado de cobertura, casas de máquinas, tampa de caixa d’água etc.) e ser interligadas com cabo de cobre #35mm² na horizontal, caixa d’água etc.) e ser interligadas com cabo de cobre #35mm² na horizontal, como na figura 3.3.
como na figura 3.3.
Para reduzir os custos da captação, as RE-BARS podem ser utilizadas Para reduzir os custos da captação, as RE-BARS podem ser utilizadas como terminais aéreos, quando possível, com comprimento externo variando como terminais aéreos, quando possível, com comprimento externo variando entre 25cm e 40cm.
Figura 3.3: Detalhes do S PDA estrutural Fonte: www.spda.com.br
3.2.4 V AN TAGENS DO SPDA ESTRUTURAL UTILIZANDO O CONDUTOR ADICIONAL DENTRO DA ESTRUTURA
O SPDA Estrutural, com adição da RE-BAR em cada pilar, consiste em uma grande vantagem para execução, se comparado com o sistema convencional. Os benefícios são de ordem estética, devido ao condutor de descida estar embutido no pilar e de ordem financeira, gerando um menor custo total na execução do serviço, além de um menor tempo de execução do serviço.
O SPDA Estrutural é muito bem visto pelos arquitetos, eliminando um dos grandes problemas existentes na hora da elaboração do projeto, que são as interferências causadas por condutores de descida e anéis de cintamento colocados sobre a fachada da edificação, e dispensando transtornos como rompimento e recomposição de lajes e fachadas.
Na elaboração de orçamentos de SPDA, podem-se cometer erros que leve o SPDA convencional ter um preço final menor que o SPDA Estrutural. Muitas vezes não são levados em conta a contratação de empresas para descer com balancim para instalação das descidas, a grande quantidade de conectores a serem utilizados no SPDA convencional e procedimentos de segurança para trabalho em altura como PPRA (Programa de Prevenção de Riscos Ambientais), PCMSO (Programa de Controle Médico de Saúde Ocupacional) e exames de aptidão para execução dos serviços.
A mão de obra do serviço é reduzida, pois na obra ela já existe, e sua execução é feita por armadores, coordenados pelos encarregados da obra e vistoriado pelos engenheiros responsáveis. No SPDA convencional os serviços precisam ser executados por profissionais qualificados. Na execução do SPDA Estrutural utilizando as RE-BARS na estrutura, é recomendável a presença de profissionais especializados apenas na execução da malha de captação e na equalização de potenciais, pois neste caso é preciso ter cuidado na hora de utilizar os materiais e executar os serviços de interligação de massas metálicas à barra de equalização principal.
Com as informações citadas acima, é visto que o SPDA Estrutural leva grande vantagem em relação ao SPDA convencional na maioria dos casos.