DOUGLAS COELHO
SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS PARA UMA EDIFICAÇÃO RESIDENCIAL MULTIFAMILIAR: ESTUDO DE CASO
Palhoça 2019
DOUGLAS COELHO
SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS PARA UMA EDIFICAÇÃO RESIDENCIAL MULTIFAMILIAR: ESTUDO DE CASO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade do Sul de Santa Catarina, como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica.
Orientador: Fabiano Max da Costa, Eng. Esp.
Palhoça 2019
Agradeço a família e amigos que, apesar dos meus incontáveis dias de estudo, não desistiram da minha amizade.
AGRADECIMENTOS
Agradecimento especial a minha irmã, Tainá pelo apoio incondicional ao longo da minha vida acadêmica que sempre esteve ao meu lado, e aos meus amigos, que tornaram este período difícil da faculdade mais agradável.
Agradeço ao meu professor orientador, Fabiano Max da Costa, pela orientação e críticas honestas, inteligentes e altamente construtivas na elaboração deste trabalho.
RESUMO
O presente trabalho busca apresentar os novos conceitos, métodos, análises e melhores práticas no que diz respeito aos sistemas de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA), através de um estudo de caso para uma edificação multifamiliar situada no município de São José-SC, para o qual serão dimensionados os subsistemas de captação, descidas e aterramento da referida edificação, buscando minimizar os riscos provenientes de descargas atmosféricas tanto na estrutura física da edificação quanto para os futuros usuários. Por fim, será realizada análise no que diz respeito à compatibilidade eletromagnética e equipotencialização da estrutura, minimizando os danos causados por descargas atmosféricas aos equipamentos eletroeletrônicos e usuários, considerando riscos toleráveis, conforme preceitos da NBR 5419:2015.
ABSTRACT
The present work seeks to present the new concepts, methods, analyzes and best practices regarding the protection system against atmospheric discharges (LPS), through a case study for a multifamily building located in the municipality of São Jose. After the study of the case, it is expected to design the sub-systems of capture, descent and grounding of said building, seeking to minimize the risks from atmospheric discharges both the physical structure of the building and future users. Finally, an analysis will be approached regarding electromagnetic compatibility and equipotentialisation of the structure, minimizing the data caused by atmospheric discharges to electro-electronic equipment and users at tolerable risks, according to the precepts of NBR 5419: 2015.
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas; BEL - Barramento de Equipotencialização Local; BEP - Barramento de Equipotencialização Principal; CBM/SC - Corpo de Bombeiros Militar de Santa Catarina; DPS - Dispositivo de Proteção contra Surtos;
ELAT - Grupo de Eletricidade Atmosférica;
EMI – Electro Magnetic Interference (Interferência Eletromagnética);
IEC – International Eletrotechnical Commission (Comissão Eletrotécnica Internacional); INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais;
IN – Instrução Normativa;
LEMP – Lightning Electromagnetic Impulse (Pulso Eletromagnético Devido às Descargas Atmosféricas);
LLS – Lightning Location Systems (Sistema de Localização de Raios); MPS - Medidas de Proteção contra Surtos;
NBR - Referência à ABNT; PVC - Policloreto de Vinilo;
QGD - Quadro Geral de Distribuição;
RINDAT - Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas; SPDA - Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas;
UEL - Universidade Estadual de Londrina; ZPR - Zona de Proteção contra Raio.
FIGURAS
Figura 1: Descarga Trigada ... 17
Figura 2: Campo induzido entre nuvem e solo pelo carregamento da base da nuvem ... 18
Figura 3: Líder ou Precursor descendente ... 21
Figura 4: Descarga elétrica entre a nuvem e a terra ... 21
Figura 5: Tensão de passo por raio ... 52
Figura 6: Tensão de Toque e Diagrama elétrico equivalente ... 53
Figura 7: Ângulo de proteção correspondente à classe do SPDA ... 57
Figura 8: Volume de proteção método de Franklin ... 58
Figura 9: Exemplo de aplicação do método de Faraday ... 59
Figura 10: Posicionamento do subsistema de captação, utilizando o método Eletrogeométrico ... 60
Figura 11: Utilização da ferragem estrutural como eletrodo de aterramento ... 63
Figura 12: Tensões e correntes de origem atmosférica conduzidas por linhas para o interior de uma edificação ... 64
Figura 13: Divisão do ambiente em zonas de risco ... 65
Figura 14: Zonas de proteção Z1 e Z2 ... 70
Figura 15: Densidade de descargas atmosféricas NG ... 71
Figura 16: Área de exposição equivalente (AD) ... 72
Figura 17: Posicionamento do sistema de captação e descidas ... 83
Figura 18: Modo instalação e especificações barra chata de alumínio ... 84
Figura 19: Modo instalação e especificações cabo de cobre nu ... 85
Figura 20: Detalhe do conector estrutural ... 86
Figura 21: Vista lateral sistema de esfera rolante ... 87
Figura 22: Vista frontal sistema de esfera rolante ... 88
Figura 23: Detalhe da saída vertical e lateral da barra adicional ... 90
Figura 24: Detalhe da barra adicional no pilar e amarração da ferragem do pilar com a laje 90 Figura 25: Detalhe da conexão entre barra adicional e vertical (pilar) e barra horizontal (laje e viga) ... 91
Figura 26: Detalhe da conexão entre barras adicionais ... 91
Figura 27: Detalhe aterramento na fundação e derivação para teste de continuidade através de conector ... 93
Figura 29: Esquema de ligação dos DPS em linha elétrica ... 96
TABELAS
Tabela 1: Valores típicos de rigidez e constante dielétrica para diferentes materiais ... 20
Tabela 2: Efeitos das descargas atmosféricas nos vários tipos de estruturas ... 24
Tabela 3: Fontes de danos, tipos de danos e tipos de perdas de acordo com o ponto de impacto ... 27
Tabela 4: Componentes de risco a serem considerados para cada tipo de perda em uma estrutura ... 31
Tabela 5: Valores típicos de risco tolerável RT... 32
Tabela 6: Parâmetros relevantes para avaliação dos componentes de risco ... 34
Tabela 7: Componentes de risco para diferentes tipos de danos e fontes de danos ... 35
Tabela 8: Fator de localização da estrutura CD ... 36
Tabela 9: Valores de probabilidade PTA de uma descarga atmosférica em uma estrutura causar choque a seres vivos devido a tensões de toque e de passo perigosas... 37
Tabela 10: Valores de probabilidade PB, dependendo das medidas de proteção para reduzir danos físicos ... 37
Tabela 11: Valores de probabilidade de PSPD em função do NP para o qual os DPS foram projetados ... 38
Tabela 12: Valores dos fatores CLD e CLI, dependendo das condições de blindagem aterramento e isolamento ... 38
Tabela 13: Valor do fator KS3 dependendo da fiação interna ... 40
Tabela 14: Valores da probabilidade PTU de uma descarga atmosférica em uma linha que adentre a estrutura causar choque a seres vivos devido a tensões de toque perigosas ... 41
Tabela 15: Valor da probabilidade PEB em função do NP para o qual os DPS foram projetados ... 41
Tabela 16: Valores da probabilidade PLD, dependendo da resistência RS da blindagem do cabo e da tensão suportável de impulso UW do equipamento ... 42
Tabela 17: Valores da probabilidade PLI, dependendo do tipo da linha e da tensão suportável de impulso UW dos equipamentos ... 43
Tabela 18: Tipo de perda L1: Valores da perda para cada zona ... 44
Tabela 19: Tipo de perda L1: Valores médios típicos de LT, LF e LO ... 45
Tabela 20: Fator de redução rt em função do tipo da superfície do solo ou piso ... 46
Tabela 21: Fator de redução rp em função das providências tomadas para reduzir as consequências de um incêndio ... 46
Tabela 22: Fator de redução rf em função do risco de incêndio ou explosão na estrutura ... 46
Tabela 23: Fator hz, aumentando a quantidade relativa de perda na presença de um perigo especial ... 47
Tabela 24: Tipo de perda L2: valores de perda para cada zona ... 47
Tabela 25: Tipo de perda L2: valores médios típicos de LF e LO ... 48
Tabela 26: Tipo de perda L3: valores de perda para cada zona ... 48
Tabela 27: Tipo de perda L3: valor médio típico de LF ... 49
Tabela 28: Tipo de perda L4: valores de perda de cada zona ... 49
Tabela 29: Tipo de perda L4: valores médios típicos de LT, LF e LO ... 50
Tabela 30: Relação entre níveis de proteção para descargas atmosféricas e classe de SPDA 53 Tabela 31: Espessura mínima de chapas metálicas ou tubulações metálicas em sistemas de captação ... 56
Tabela 32: Valores máximos dos raios da esfera rolante, tamanho da malha e ângulo de proteção correspondentes a classe do SPDA ... 57
Tabela 33: Valores típicos de distância entre os condutores de descida e entre os anéis condutores, de acordo com a classe de SPDA ... 61
Tabela 34: Seção Transversal Mínima para Componentes de Equipotencialização ... 67
Tabela 35: Fator de instalação da linha CI ... 73
Tabela 36: Fator ambiental da linha CE ... 73
Tabela 37: Fator tipo de linha CT ... 74
Tabela 38: risco R1 para estrutura não protegida (valores x 10 5) ... 79
Tabela 39: risco R1 para estrutura protegida (valores x 10 5) ... 80
Tabela 40: Material, configuração e área de seção mínima dos condutores de captação, hastes captoras e condutores de descida ... 82
Tabela 41: Material, configuração e dimensões mínimas de eletrodo de aterramento ... 92
Tabela 42: Seções mínimas dos condutores que interligam o BEP ao sistema de aterramento ... 95
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 12 1.1 JUSTIFICATIVA ... 12 1.2 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA ... 13 1.3 OBJETIVOS ... 13 1.3.1 Objetivo Geral ... 13 1.3.2 Objetivos Específicos ... 13 1.4 DELIMITAÇÕES ... 13 1.5 METODOLOGIA ... 14 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 15 2.1 PRINCÍPIOS GERAIS – NBR 5419-1 ... 15
2.1.1 Contexto Histórico dos Raios ... 16
2.1.2 Formação de Cargas nas Nuvens ... 18
2.1.3 Formação dos Raios ... 19
2.1.4 Danos Devido às Descargas Atmosféricas Segundo a NBR 5419-1:2015 ... 22
2.1.4.1 Danos à estrutura ... 22
2.1.5 Fontes e Tipos de Danos a uma Estrutura ... 25
2.1.6 Tipos de Perdas ... 26
2.2 GERENCIAMENTO DE RISCO SEGUNDO A NBR 5419-2 ... 27
2.2.1 Definição dos riscos ... 28
2.2.1.1 Componentes de risco ... 29
2.2.1.2 Gerenciamento de risco ... 31
2.2.1.3 Análise dos componentes de risco ... 33
2.2.2 Área de exposição equivalente e número anual de eventos perigosos ... 36
2.2.3 Avaliação da probabilidade de danos ... 36
2.2.4 Avaliação das quantidades de perdas ... 44
2.3 DANOS FÍSICOS A ESTRUTURAS E PERIGOS À VIDA SEGUNDO A NBR 5419-3 ... 51
2.3.1 Conceitos ... 51
2.3.1.1 Potencial de Passo ... 52
2.3.1.2 Potencial de Toque ... 52
2.3.2 Proteção dos Danos pelo Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas ... 53
2.3.4 Subsistema de Captação ... 55
2.3.4.1 Método de Franklin ... 57
2.3.4.2 Método da Gaiola de Faraday ... 58
2.3.4.3 Método da Esfera Rolante ... 59
2.3.5 Subsistema de Descida ... 61
2.3.6 Subsistema de Aterramento ... 62
2.4 SISTEMAS ELÉTRICOS E ELETRÔNICOS INTERNOS NA ESTRUTURA NBR 5419-4 ... 63
2.4.1 Medidas de Proteção Contra Surtos (MPS) para Sistemas Elétricos e Eletrônicos e Telecomunicações ... 64
2.4.2 MPS Básicas ... 66
2.4.2.1 Aterramento e Equipotencialização ... 67
2.4.2.2 Blindagem Magnética e Roteamento das Linhas ... 68
2.4.2.3 Coordenação de DPS ... 68
2.4.2.4 Interfases Isolantes ... 68
3 ESTUDO DE CASO - SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EDIFICAÇÃO MULTIFAMILIAR ... 69
3.1 ANÁLISE E GERENCIAMENTO DE RISCO ... 69
3.1.1 Analise do número anual N de eventos perigosos ... 70
3.1.2 Analise do número médio anual de eventos perigosos ND devido a descargas atmosféricas na estrutura e NDJ em estrutura adjacente ... 71
3.1.2.1 Área de exposição equivalente AD ... 72
3.1.2.2 Número de eventos perigosos ND para a estrutura ... 73
3.1.3 Avaliação do número médio anual de eventos perigosos NL devido a descargas atmosféricas na linha ... 73
3.1.4 Avaliação do número médio anual de eventos perigosos NI devido a descargas atmosféricas perto da linha ... 74
3.1.5 Avaliação da probabilidade Px de danos ... 75
3.1.5.1 Probabilidade PA de uma descarga atmosférica em uma estrutura causar ferimentos a seres vivos por meio de choque elétrico ... 75
3.1.5.2 Probabilidade PB de uma descarga atmosférica em uma estrutura causar danos físicos ... 76
3.1.5.3 Probabilidade PU de uma descarga atmosférica em uma linha causar ferimentos a seres vivos por choque elétrico ... 76
3.1.5.4 Probabilidade PV de uma descarga atmosférica em uma linha causar danos físicos . 76
3.1.6 Análise de quantidades de perda LX ... 77
3.1.7 Análise dos riscos RX ... 78
3.1.8 Riscos R1 – Seleção das medidas de proteção ... 80
3.2 POSICIONAMENTO E DIMENSIONAMENTO DO SUBSISTEMA CAPTOR ... 81
3.3 POSICIONAMENTO E DIMENSIONAMENTO DO SUBSISTEMA DESCIDA ... 88
3.4 DIMENSIONAMENTO DO SUBSISTEMA DE ATERRAMENTO ... 92
3.5 SISTEMAS INTERNOS DE PROTEÇÃO ... 95
4 CONCLUSÃO ... 98
1 INTRODUÇÃO
O Brasil é o país com a maior zona tropical do planeta e por isso o mais favorável à formação de tempestades. De acordo com o levantamento do Grupo de Eletricidade Atmosférica (ELAT), que é parte do INPE (Instituto de Pesquisas Espaciais), o Brasil é o país com maior incidência de raios do planeta, com ocorrência média anual de 77,8 milhões (INPE, 2017).
As consequências das descargas atmosféricas são destrutivas e podem causar danos parciais ou totais nas edificações, nos sistemas de energia elétrica e comunicações, além de causar incêndios e até mesmo levar pessoas a óbito.
Ainda segundo o ELAT, no Brasil, a média anual de mortes provenientes de descargas atmosféricas é de 111 pessoas e o ônus anual dos raios chega a R$ 1 bilhão.
As normas, no Brasil, NBR 5410:2004 e NBR 5419:2015, que tratam respectivamente sobre as instalações elétricas em baixa tensão e proteção contra descargas atmosféricas, vem com o propósito de mitigar os danos provocados por raios. Segundo a NBR 5419-1 (ABNT, 2015) não há dispositivos ou métodos capazes de modificar os fenômenos climáticos naturais a ponto de se prevenir a ocorrência de descargas atmosféricas. As descargas atmosféricas que atingem estruturas (ou linhas elétricas e tubulações metálicas que adentram nas estruturas) ou que atingem a terra em suas proximidades são perigosas às pessoas, às próprias estruturas, seus conteúdos e instalações. Portanto, medidas de proteção contra descargas atmosféricas devem ser consideradas a fim de minimizar estes danos.
Neste trabalho será desenvolvido um SPDA e respectivo sistema de aterramento, satisfazendo as necessidades técnicas previstas na NBR 5419 e IN 010 do CBM/SC (responsável pela aprovação dos projetos de SPDA em SC), através do estudo do fenômeno físico, métodos de projeto e características estruturais específicas da edificação estudada.
1.1 JUSTIFICATIVA
Em 2015, a NBR 5419 sofreu grande alteração no que diz respeito aos requisitos para equipotencialização e à análise de risco de cada edificação, a partir da qual pode-se determinar o nível de proteção a ser adotado para cada caso. Cabe ressaltar que o Corpo de Bombeiros do Estado de Santa Catarina não analisa mais os projetos referentes aos sistemas de proteção contra descargas atmosféricas, além disso a IN 010 do CBM/SC indica a NBR 5419 como base para elaboração do SPDA, desta forma, ficando toda a responsabilidade do projeto a cargo do
responsável técnico e dos respectivos responsáveis técnicos da execução das soluções previstas em projeto, desta forma, é fundamental o estudo dessa nova versão da norma, aplicando os novos conceitos, métodos e boas práticas na elaboração dos projetos contra descargas atmosféricas.
1.2 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA
Desenvolvimento do projeto de SPDA de acordo com a NBR 5419:2015. 1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral
Este trabalho de Conclusão de Curso tem como objetivo geral analisar a NBR 5419:2015 (partes 1 a 4) e bibliografia acerca dos fundamentos teóricos e estado da arte em sistemas de proteção contra descargas atmosféricas, visando a análise de risco a qual a edificação estará exposta a fim de possibilitar a elaboração de um projeto de um SPDA que atenda as normativas estudadas.
1.3.2 Objetivos Específicos
Destacam-se os seguintes objetivos específicos deste trabalho:
fazer uma pesquisa bibliográfica acerca dos fundamentos práticos e teóricos dos sistemas de proteção contra descargas atmosféricas;
estudar detalhadamente a norma técnica NBR 5419:2015 (partes 1 a 4);
fazer uma análise de risco da edificação residencial multifamiliar para determinar a necessidade e características do SPDA a ser implantado;
projetar um SPDA completo, contemplando os subsistemas de captação, descidas aterramento utilizando os componentes estruturais da edificação.
1.4 DELIMITAÇÕES
Não serão abordados assuntos relacionados ao SPDA aparente, tampouco levantamento de custos e viabilidade econômica da instalação do SPDA, tendo em vista que as normativas do
Corpo de Bombeiros do Estado de Santa Catarina já determinam a obrigatoriedade da instalação do SPDA para edificações com as características construtivas estudadas.
1.5 METODOLOGIA
A fim de atender os objetivos deste trabalho, o desenvolvimento foi dividido em duas partes, sendo estas:
a) realização de estudo das quatro partes da norma ABNT NBR 5419:2015, juntamente com a bibliografia disponível, de forma que fosse possível embasar tecnicamente os conceitos, práticas e técnicas existentes, possibilitando a elaboração de um projeto de SPDA para uma edificação multifamiliar localizada no município da Palhoça;
b) elaboração de estudo de caso através da análise de gerenciamento de risco para prover um melhor entendimento da aplicação dos novos conceitos existentes na NBR 5419:2015.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Este capítulo está dividido em quatro subcapítulos. No primeiro, serão apresentados os princípios gerais da NBR 5419-1, caracterizando contexto e a formação dos raios, a formação de cargas nas nuvens, os danos ocasionados devido às descargas atmosféricas, as fontes e os tipos de danos a uma estrutura, assim como, os tipos de perdas.
No seguinte, será tratado o gerenciamento de riscos com base na NBR 5419-2, bem como, a determinação das quantidades relevantes e zonas de proteção, área de exposição equivalente e número anual de eventos perigosos, a avaliação da probabilidade de danos, das quantidades de perdas e do risco e seleção das medidas de proteção.
O terceiro subcapítulo tratará dos danos físicos a estruturas e perigos à vida NBR 5419-3, conceitos, componentes do SPDA e os métodos de projeto.
O último subcapítulo analisará as proteções do sistema elétrico e eletrônico e as proteções de sistemas de telecomunicações.
2.1 PRINCÍPIOS GERAIS – NBR 5419-1
A formação de cargas nas nuvens, e a sua consequente descarga (raio) à terra, é um fenômeno normal e natural que assola a Terra e aflige a humanidade, causando prejuízos e mortes (KINDERMAN, 2009).
Conforme a ABNT NBR 5419:2015, parte 1:
Não há dispositivos ou métodos capazes de modificar os fenômenos climáticos naturais a ponto de se prevenir a ocorrência de descargas atmosféricas. As descargas atmosféricas que atingem estruturas (ou linhas elétricas e tubulações metálicas que adentram nas estruturas) ou que atingem a terra em suas proximidades são perigosas às pessoas, às próprias estruturas, seus conteúdos e instalações. Portanto, medidas de proteção contra descargas atmosféricas devem ser consideradas.
Tendo em vista que não há como prevenir a ocorrência das descargas atmosféricas, este trabalho propõe um estudo de caso de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas visto a importância do mesmo, a fim de, reduzir os danos físicos e riscos à vida dentro de uma estrutura.
2.1.1 Contexto Histórico dos Raios
O raio sempre existiu, fazendo parte da própria evolução e formação da Terra. Há milhões de anos, no processo de resfriamento do planeta, tempestades violentas existiam em abundância (KINDERMAN, 2009). De acordo com o mesmo autor, conforme a Terra ia se resfriando, as tempestades foram se estabilizando, mantendo-se num equilíbrio natural.
Ao longo da história, o raio sempre foi admirado e temido por toda civilização (BORTOLATO, 2017). Como a ação do raio é acompanhada pela luminosidade e trovoada, sua presença sempre foi observada, tendo-se relatos que datam 2000 a.C., na Mesopotâmia (KINDERMAN, 2009).
Alguns povos atribuíam este fenômeno aos deuses que os lançavam sobre a terra como sinal de reprovação ou de que haveria tempos prósperos para a lavoura. Outros povos associavam que os raios eram produzidos pelas batidas de um poderoso martelo, cujo efeito estrondoso originava os raios e trovões. Algumas tribos sustentavam a crença de que um "pássaro trovão" mergulhava das nuvens para a terra, provocando tal efeito (BORTOLATO, 2017).
Somente no século XVIII, os pesquisadores começaram a associar o caráter elétrico dos raios aos fenômenos da descarga elétrica das cargas acumuladas nas nuvens. Com esse conhecimento, foi possível entender que o arco elétrico proveniente da descarga atmosférica gera a luminosidade do raio, sendo o ruído (trovoada) produzido pelo rápido aquecimento e expansão súbita do ar (KINDERMAN, 2009).
Neste mesmo século, Benjamin Franklin (1706-1790), cientista e inventor norte americano, foi o primeiro a comprovar, através de um experimento, a existência de cargas elétricas nas nuvens. Franklin desenvolveu um perigoso experimento, conhecido como “The
Philadelphia Experiment” ou “Franklin’s Kite and Key”, que consistiu em içar uma pipa
(pandorga) durante uma tempestade, onde a pipa estava presa a um fio condutor. Franklin registrou, em 1752, que sentiu pequenas descargas elétricas intermitentes pelo seu corpo, desse modo pôde provar que os raios eram apenas grandes descargas elétricas que ocorriam de forma natural. Já, o pesquisador russo G. W. Richman não teve a mesma sorte, pois ao repetir a experiência de Franklin, morreu fulminado pelo raio que caiu em sua pipa. Após esse fato, vários pesquisadores amarravam balões e pipas a animais, como cavalos e ovelhas, para estudar o efeito e reação muscular devido ao raio (KINDERMAN, 2009).
A partir desse mesmo experimento, Franklin propôs que a descarga proveniente de um raio poderia ser transportada através de hastes metálicas, posicionadas no topo das edificações,
conectadas a condutores elétricos até o solo, propiciando a condução da corrente elétrica e esse arranjo poderia impedir que os raios atingissem qualquer estrutura sem causar danos às mesmas (BORTOLATO, 2017). Com isso, surgia o conceito do para-raios tipo Franklin.
Hoje, para estudar o fenômeno da descarga atmosférica, usam-se processos mais sofisticados, como o de criar entre o laboratório e a nuvem um caminho de ar ionizado produzido pelo lançamento de foguetes. Através do caminho de ar ionizado, a probabilidade do raio escoar para a terra é maior (KINDERMAN, 2009). Segundo o mesmo autor, saber onde o raio irá cair possibilita examinar melhor este fenômeno através de câmeras fotográficas especiais de alta velocidade, as quais foram desenvolvidas para congelar a imagem de várias tomadas sucessivas do raio, ver Figura 1, e oscilógrafos especiais, que podem acompanhar sua performance.
Figura 1: Descarga Trigada
Fonte: (SUETA, 2005, p. 8).
Descargas trigadas ou induzidas artificialmente são experimentos em escala real com uso de foguetes para avaliação de SPDAs. Existem dois tipos de descargas trigadas: as chamadas descargas conectadas ou clássicas, onde o fio formado por cobre e kevlar é preso ao foguete em uma extremidade e na outra é conectado a terra, e as descargas não-conectadas ou de altitude, onde a extremidade mais baixa do fio é composta somente por material isolante (kevlar) e a mais alta por cobre e kevlar (ZAGO, 2009).
2.1.2 Formação de Cargas nas Nuvens
A formação de cargas nas nuvens ainda é um processo não totalmente conhecido, e sua consequente descarga à terra é um fenômeno normal e natural que vem acompanhando o cotidiano desde os primórdios da humanidade.
Apesar de trivial do ponto de vista da ciência moderna, esse fenômeno permaneceu sem explicação pela maior parte da história da humanidade.
Segundo Sueta (2005), existem quatro categorias de descargas atmosféricas: a iniciada pelo líder descendente com cargas negativas (a mais comum), a iniciada pelo líder ascendente com cargas positivas, a descendente com cargas positivas e a ascendente com cargas negativas. As descargas iniciadas por líder ascendente são também conhecidas como descargas terra-nuvem.
Para ocorrer a descarga atmosférica, é necessário que a nuvem esteja bastante carregada com cargas positivas e negativas, sendo que estas se localizam, geralmente, em maior número, na parte inferior da nuvem (SUETA, 2005), conforme Figura 2. Existem várias teorias a respeito dos processos de eletrificação das nuvens, sendo duas as mais conhecidas: a teoria da precipitação e a teoria da convecção.
Na teoria da precipitação, as partículas pesadas, que descem na nuvem, interagem com as partículas mais leves que são carregadas para cima. Nesta interação, as partículas pesadas são carregadas negativamente e as mais leves positivamente, sendo que, devido à gravidade e às correntes de ar ascendentes, ocorre uma separação das cargas formando um dipolo (SUETA, 2005).
Figura 2: Campo induzido entre nuvem e solo pelo carregamento da base da nuvem
Na teoria da eletrificação por convecção, a carga que foi acumulada perto da superfície da Terra ou sobre regiões de condutividade variável do ar e da nuvem, incluindo a camada das vizinhanças da nuvem, é movimentada em um grande volume pelo fluxo de ar associado às tempestades para os locais mencionados (SUETA, 2005).
Uma vez carregada, a nuvem com muitas dezenas de coulombs (cargas positivas e negativas), estaria em um ambiente propício para ocorrência das descargas atmosféricas.
Aproximadamente, 95% das nuvens ficam carregadas como indicado na Figura 2. Apesar de o fenômeno não ser bem compreendido, verifica-se que algumas nuvens ficam carregadas ao contrário, ou seja, com cargas positivas em baixo e negativas em cima (KINDERMAN, 2009).
2.1.3 Formação dos Raios
Conforme Figura 2, a parte inferior da nuvem está carregada negativamente, por isso, ocorre uma indução de cargas positivas no solo, que ocupam aproximadamente a área correspondente ao tamanho da nuvem. Podemos pensar nesse fenômeno como uma sombra de cargas positivas que acompanham o movimento da nuvem arrastada pelo vento (COUTINHO e ALTOÉ, 2003).
Neste deslocamento, as cargas positivas induzidas vão escalando árvores, prédios, pessoas, pontes, morros, para-raios, carros etc. A diferença de potencial que se forma entre a nuvem e a terra varia de 10 a 1.000.000 kV, sendo que a altura média da nuvem varia de 300 a 5.000 metros (KINDERMAN, 2009).
O ar é considerado um bom isolante elétrico para baixas diferenças de potencial, segundo Coutinho e Altoé (2003), ver Tabela 1, com rigidez dielétrica próxima de 30.000 V/cm. Dessa forma, entendemos que o ar é um dielétrico, ou seja, as moléculas do ar oferecem pequenas quantidades de elétrons livres. Porém, segundo KINDERMAN (2009), nota-se que para a descarga atmosférica se efetuar não é necessário que o gradiente de tensão (campo elétrico) seja superior à rigidez dielétrica do ar, entre nuvem e solo, bastando, para isso, um campo elétrico bem menor. Segundo o mesmo autor, isso pode ser explicado, pois o ar localizado entre nuvem e terra, possui grande quantidade de impurezas, umidade e ar ionizado, que estão em constante agitação. Com isso, o ar fica muito “enfraquecido”, necessitando de um campo elétrico menor para que o raio rompa a sua rigidez dielétrica.
Tabela 1: Valores típicos de rigidez e constante dielétrica para diferentes materiais
Fonte: Adaptado de (COUTINHO e ALTOÉ, 2003).
Sendo o campo elétrico aplicado entre nuvem e terra suficientemente intenso (nuvem carregada), haverá rompimento da rigidez dielétrica do ar, pois fornece energia suficiente para que os elétrons das moléculas escapem de seu núcleo, tornando-os livres. Este fenômeno produz um canal ionizado, com resistência elétrica próxima a zero, pelo qual a descarga se propaga.
Uman (1987) chama de descarga preliminar, a descarga dentro da nuvem, geralmente, na parte mais baixa, que ocorre entre a região das cargas negativas e as poucas cargas positivas próximas. Segundo o mesmo autor, não existe ainda um consenso entre os pesquisadores sobre a forma e localização deste processo, mas esta descarga preliminar ajusta o estágio para que as cargas negativas se direcionem para baixo em direção à terra, iniciando o líder.
Já, RINDAT (2018) explica que as descargas intra-nuvens são mais frequentes, pelo fato da capacidade isolante do ar diminuir com a altura em função da diminuição da densidade do ar, em parte devido às regiões de cargas opostas dentro da nuvem estarem mais próximas.
Segundo Sueta (2005), o líder tem, geralmente, passos de duração de aproximadamente 1µs e comprimento de dezenas de metros, tendo uma pausa entre os passos de aproximadamente 50µs. O líder, na sua fase praticamente completa, direciona para a terra uma carga negativa que pode ultrapassar os 10 C, isso em um tempo de dezenas de milissegundos, com uma velocidade de descida média de aproximadamente 2 x 10 m/s. Já em termos de corrente, o líder fica na faixa de 100 a 1000 A. Os passos possuem pulsos de corrente, de pelo menos, 1000A. Visualmente falando, conforme exemplificado na Figura 3, o líder poderia ser descrito como relâmpagos incompletos (ramos de luz) em direção à terra (SUETA, 2005).
Figura 3: Líder ou Precursor descendente
Fonte: Adaptado de (COUTINHO e ALTOÉ, 2003).
Depois de formado o raio piloto, existe entre a nuvem e a terra um túnel (canal) de ar ionizado, de baixa resistência elétrica, isto é, a nuvem está literalmente curto-circuitada à terra (KINDERMAN, 2009), conforme Figura 4.
Figura 4: Descarga elétrica entre a nuvem e a terra
Fonte: Adaptado de (COUTINHO e ALTOÉ, 2003).
Após o curto-circuito entre nuvem e terra, ocorre o raio principal, ou descarga de “retorno”, que vai da terra à nuvem através do túnel ionizado, com uma velocidade de 30.000 (KINDERMAN, 2009). Ainda, segundo o mesmo autor, no raio de retorno, as correntes são muito altas, da ordem de 2.000 a 200.000A. Segundo Sueta (2005), a descarga de retorno é o mais importante componente da descarga atmosférica. Conhecer seus parâmetros é fundamental para os estudos de proteção, tanto de edificações, como de linhas de transmissão e distribuição de energia elétrica e de equipamentos elétricos. Após essas duas descargas atmosféricas, pode existir uma terceira descarga de curta duração, com correntes de 100 a 1000A.
2.1.4 Danos Devido às Descargas Atmosféricas Segundo a NBR 5419-1:2015 2.1.4.1 Danos à estrutura
A descarga atmosférica que atinge uma estrutura pode causar danos à mesma, a seus ocupantes e a seu conteúdo (equipamentos), incluindo falhas dos sistemas internos. Os danos podem se estender às estruturas vizinhas e podem envolver o ambiente local (ABNT, 2015).
Segundo Rakov e Martin (2003), os danos provenientes de uma descarga atmosférica que um objeto pode sofrer, dependem das características das descargas atmosféricas e das propriedades do objeto. Sendo que as características físicas de maior interesse são as várias propriedades relacionadas a forma de onda das correntes e dos campos eletromagnéticos oriundos das descargas, principalmente, na faixa de rádio frequência. De acordo com os mesmos autores, os danos podem ocorrer devido às radiações eletromagnéticas em outras faixas de frequência e também das ondas de choque acústica.
Rakov e Martin (2003) explicam que quatro propriedades distintas das formas de ondas das correntes das descargas são consideradas importantes na ocorrência de danos: o pico da corrente (I); a máxima taxa de variação da corrente (dI/dt max); a integral da corrente pelo tempo, ou seja, a carga transferida (C), e a integral da corrente ao quadrado pelo tempo, a qual os autores chamam de “ação integral” (I²t). O parâmetro “pico da corrente” é importante nos casos que apresentam impedâncias essencialmente resistivas, tais como, em determinadas condições, hastes de aterramento, longas linhas de potência, ou mesmo árvores, onde a tensão V no objeto ou sistema em relação a um aterramento remoto será proporcional à corrente via Lei de Ohm (V=RI), com R sendo a resistência efetiva no ponto de impacto da descarga. Para exemplificar as grandezas envolvidas, os autores apresentam o seguinte cenário: uma corrente
de pico de 30kA injetada em um condutor de fase de uma linha de potência com uma impedância característica de 500Ω (sendo que a resistência efetiva seria 250Ω, uma vez que os 500Ω seriam vistos em cada direção), produz uma tensão de linha de 7,5MV em relação à referência, que é a terra. Este nível de tensão pode provocar um curto entre fases, ou entre a fase atingida e o neutro ou a terra. O parâmetro “máxima taxa de variação da corrente” é particularmente importante nos casos de objetos que apresentam impedância essencialmente indutiva, como em determinadas condições, fiações em um sistema eletrônico, onde o pico da tensão será proporcional à máxima taxa de variação da corrente de descarga (V=L dI/dt, onde L é a indutância por comprimento da fiação, e V é a diferença de tensão entre as duas pontas da fiação). O parâmetro “carga transferida” está ligada à severidade do aquecimento, ou queima e perfurações de chapas metálicas, sejam estas utilizadas em aeronaves, ou em coberturas metálicas de edificações. Estes tipos de danos são proporcionais à carga transferida pelas descargas atmosféricas e proporcionais à energia transmitida à superfície metálica. O parâmetro “ação integral” é, em uma primeira aproximação, o responsável pelo aquecimento e fusão de materiais resistivos, os quais podem ser ou não, bons condutores, e também pela explosão de materiais condutores fracos. O valor da ação integral é a integral de Joule no tempo no caso da resistência igual a um Ohm. Desta maneira, a ação integral é a medida da habilidade da corrente de descarga de gerar calor em um objeto atingido caracterizado pela resistência R. Por volta de 5% das descargas de retorno negativas nuvem-terra possuem ação integral excedendo 5,5 x 10 A²s e aproximadamente 5% das positivas possuem ação integral excedendo 10 A²s. Na maioria de materiais que possuem uma baixa condutividade, este calor vaporiza o material interno e a pressão do gás resultante pode causar uma rachadura. Somando-se aos efeitos de aquecimento, a ação integral é responsável por alguns efeitos mecânicos, tais como o esmagamento de tubos metálicos condutores de descargas atmosféricas. Este efeito é função da força instantânea, a qual é proporcional ao quadrado da corrente e da duração da aplicação da força.
Segundo a NBR 5419-1 (ABNT, 2015), deve-se levar em consideração as principais características das estruturas para os efeitos das descargas atmosféricas:
a) tipo de construção (madeira, alvenaria, concreto, concreto armado, estruturas de aço); b) tipo de função (residencial, comercial, reunião de público, fábrica, hotel, escolar, hospital, museu etc.);
c) ocupantes e conteúdo (pessoas e animais, presença de materiais inflamáveis ou explosivos, sistemas elétricos e eletrônicos);
d) linhas elétricas e tubulações metálicas que adentram a estrutura (linhas de energia, linhas de TV a cabo, telefonia, tubulações);
e) medidas de proteção existentes ou fornecidas (medidas de proteção para reduzir danos físicos e risco à vida (SPDA), medidas de proteção para reduzir falhas em sistemas internos (DPS);
f) dimensão do risco (estruturas com limitações nas saídas de emergência ou estruturas com grande afluência de público causando pânico na evacuação, estruturas perigosas às redondezas, estrutura perigosa ao ambiente, por exemplo, fábricas de matérias tóxicos).
A norma também apresenta os possíveis efeitos das descargas atmosféricas nos vários tipos de estruturas, conforme Tabela 2.
Tabela 2: Efeitos das descargas atmosféricas nos vários tipos de estruturas Tipo de estrutura de
acordo com a sua finalidade e/ou conteúdo
Efeitos das descargas atmosféricas
Casa de moradia Perfuração da isolação das instalações elétricas, incêndio e danos materiais.
Falha de equipamentos e sistemas elétricos e eletrônicos.
Edificações em zona rural Maior probabilidade de incêndio e tensões de passo perigosas, assim como
danos materiais.
Risco de vida aos animais de criação em função da perda de energia elétrica e falha nos sistemas elétricos eletrônicos
Teatro ou cinema Hotel
Escola
Shopping centres Áreas de Esportes
Danos em instalações elétricas que tendem a causar pânico (por exemplo, iluminação elétrica).
Falhas em sistemas de alarme contra incêndio, causando atrasos nas ações de combate a incêndio.
Banco
Empresa de seguros
Estabelecimento comercial etc.
O mesmo do caso acima, adicionando-se problemas resultantes da perda de comunicação, falhas de computadores e perda de dados.
Hospital
Casa de tratamento médico Asilos
Creche Prisão
O mesmo do caso acima, adicionando-se os problemas relacionados aos pacientes com mobilidade reduzida e a dificuldade do resgate as pessoas nessas condições.
Indústrias Efeitos adicionais dependendo do conteúdo das fábricas, que vão desde os
menos graves até danos inaceitáveis e perda de produção. Museu e sítio arqueológico
Igreja
Perdas de patrimônio cultural insubstituíveis. Estação de telecomunicações
Usinas Elétricas Subestações de energia
Interrupção inaceitável de serviços ao público. Fábrica de fogos de artifícios
Trabalho com munições Incêndio e explosão com consequências a planta e arredores
Industria química Refinaria Usina nuclear
Indústria e laboratórios de bioquímica
Incêndio e mau funcionamento da planta com consequências prejudiciais ao meio ambiente local e global
2.1.5 Fontes e Tipos de Danos a uma Estrutura
Conforme apresentado no item 2.1.4.1, a corrente da descarga atmosférica é a fonte de danos a uma estrutura. Segundo a NBR 5419 (2015), deve-se observar, a fim de, proceder com o cálculo de gerenciamento de risco, abordado em profundidade no Capitulo 2.2, quatro possíveis posições de impacto relativas à estrutura analisada:
a) S1: descargas atmosféricas na estrutura;
b) S2: descargas atmosféricas próximas à estrutura;
c) S3: descargas atmosféricas sobre linhas elétricas ou tubulações metálicas; d) S4: descargas atmosféricas próximas à linhas elétricas ou tubulações.
As descargas diretas na estrutura acontecem quando o canal principal (ou um dos ramos) incide diretamente sobre determinada edificação ou objeto e são responsáveis pelos danos mais severos provenientes das descargas atmosféricas (BORTOLATO, 2017). Por exemplo, choque elétrico por tensão de passo e toque, alto risco de danos mecânicos imediatos provocados pelas forças eletromagnéticas. Além disso, podem ocorrer incêndios e explosões em função das altas temperaturas do canal de plasma ou, até mesmo, das altas correntes resultantes da descarga. Por este motivo, o SPDA deve contar com proteção externa eficaz contra incidência direta de raios caso identifique-se riscos não toleráveis que ameacem a integridade e a segurança do local (MAMED, 2017).
Quando uma descarga atmosférica ocorre próxima a uma estrutura, pode causar falha ou mau funcionamento de sistemas internos devido a LEMP (ABNT, 2015). Cabe ressaltar que fenômeno pode causar choque elétrico por tensão de toque ou passo, dependendo da situação e condições. Os efeitos perigosos da tensão de toque e passo são no sentido de produzir correntes de choque além dos limites da suportabilidade do coração, produzindo a fibrilação ventricular (KINDERMAN, 2009).
Descargas atmosféricas sobre linhas elétricas e tubulações metálicas que adentram a estrutura podem causar, fogo e/ou explosão iniciado por centelhamento e danos a pessoas por choque elétrico devido a tensões de toque dentro da estrutura causadas por correntes das descargas atmosféricas transmitidas pelas linhas elétricas e tubulação metálicas. Ainda, podem causar falha ou mau funcionamento de sistemas internos devido a sobretensões que aparecem nas linhas que entram na estrutura (ABNT, 2015).
Por fim, os riscos associados à queda de descargas atmosféricas próximas a linhas de transmissão ou tubulações metálicas que entram na estrutura, restringe-se a falha ou mau
funcionamento de equipamentos eletroeletrônicos. Este caso é particularmente sensível a estruturas empresariais, que dependem dos recursos tecnológicos para suas atividades. A perda de dados ou de capacidade produtiva em geral pode acarretar prejuízos tão severos quanto a perda de matéria prima, estrutura ou maquinário (KAFER, 2018).
Em consequência dos possíveis danos causados pelas descargas atmosféricas, a NBR 5419-1 (ABNT, 2015) classifica três tipos básicos de danos:
a) D1: danos às pessoas devido a choque elétrico;
b) D2: danos físicos (fogo, explosão, destruição mecânica, liberação de produtos químicos) devido aos efeitos das correntes das descargas atmosféricas, inclusive centelhamento;
c) D3: falhas de sistemas internos devido a LEMP. 2.1.6 Tipos de Perdas
Cada tipo de dano relevante para a estrutura a ser protegida, sozinho ou em conjunto com outros, pode, em consequência, produzir diferentes perdas. O tipo de perda que pode ocorrer depende das características do próprio objeto (ABNT, 2015). São considerados os seguintes tipos de perdas, os quais podem surgir em consequência de danos relevantes à estrutura:
a) L1: perda de vida humana incluindo danos permanentes; b) L2: perda de serviço ao público;
c) L3: perda de patrimônio cultural;
d) L4: perda de valor econômico (estrutura e seu conteúdo, assim como interrupção de atividades).
OBS: As perdas do tipo L1, L2 e L3, segundo a NBR 5419 (2015), podem ser consideradas como perdas de valor social, enquanto perdas do tipo L4 podem ser consideradas como perdas puramente econômicas.
Resumindo, a análise de risco, que será abordada detalhadamente no Capitulo 2.2, consiste em associar cada tipo de perda (L) que resulta em um Risco (R) a ser calculado, o qual depende de componentes que podem ser agrupados, de acordo com a fonte de danos (S) e o tipo de dano (D), conforme Tabela 3.
Tabela 3: Fontes de danos, tipos de danos e tipos de perdas de acordo com o ponto de impacto
Fonte: Adaptado de (ABNT, 2015).
2.2 GERENCIAMENTO DE RISCO SEGUNDO A NBR 5419-2
As descargas representam um risco para as estruturas e também para as linhas de energia e de sinal. As descargas atmosféricas podem danificar tanto a estrutura como o seu conteúdo, podendo gerar falhas aos sistemas eletroeletrônicos, podendo também resultar em ferimentos aos seres vivos que estejam dentro ou próximos das estruturas. Dessa forma, torna-se importante realizar um gerenciamento de risco que vise minorar os riscos.
2.2.1 Definição dos riscos
De acordo com a NBR 5419-2 (2015), risco é definido como a provável perda média anual em uma estrutura devido às descargas atmosféricas, sendo influenciado por:
o número anual de descargas atmosféricas que influenciam a estrutura;
a probabilidade de dano por uma das descargas atmosféricas que influenciam; a quantidade média das perdas causadas.
Ainda, de acordo com a NBR 5419-2 (2015), as descargas atmosféricas que impactam nas estruturas estão divididas em:
descargas diretas à estrutura;
descargas próximas à estrutura, diretas às linhas conectadas (linhas de energia, linhas de telecomunicações) ou perto das linhas.
O número das descargas atmosféricas que influenciam a estrutura depende das dimensões e das características das estruturas, das linhas conectadas, das características do ambiente da estrutura e das linhas, como, também, da densidade de descargas atmosféricas para a terra na região onde estão localizadas as estruturas e as linhas.
Os danos ocasionados em função das descargas atmosféricos dependem da estrutura, das linhas conectadas, das características da corrente da descarga atmosférica, assim, como, do tipo e da eficiência das medidas de proteção efetuadas. Sendo que a quantidade média da perda dependerá da extensão dos danos e dos efeitos consequentes das descargas atmosféricas. Dependendo das medidas de proteção adotadas variam as probabilidades de danos ou a quantidade média da perda consequente.
Considera-se, de acordo com a NBR 5419-2, que o risco, R, é um valor relativo a uma provável perda anual média. Sendo que cada tipo de perda que pode aparecer, na estrutura, pode ter um risco resultante que precisa ser analisado.
Para avaliar os riscos, deve-se seguir a classificação abaixo:
a. R1: risco de perda de vida humana (incluindo ferimentos permanentes);
b. R2: risco de perda de serviços público;
c. R3: risco de perda de patrimônio cultural;
d. R4: risco de perda de valores econômicos.
É necessário avaliar os riscos, levando em conta os componentes de riscos, sendo que os riscos parciais dependem da fonte e do tipo de dano. O risco é resultado da soma dos seus componentes de risco, esses componentes podem ser agrupados, considerando as fontes de danos e os tipos de danos.
2.2.1.1 Componentes de risco
Consideram-se três tipos de componentes de risco para a estrutura em função das descargas na estrutura:
a. RA: componente relativo a ferimentos aos seres vivos causados por choque elétrico devido às tensões de toque dentro da estrutura e fora até 3 m ao redor dos condutores de descidas. Perda de tipo L1 e, no caso de estruturas contendo animais vivos, as perdas do tipo L4 com possíveis perdas de animais podem, também, aumentar;
b. RB: componente relativo a danos físicos causados por centelhamentos perigosos dentro da estrutura, iniciando incêndio ou explosão, os quais podem também colocar em perigo o meio ambiente. Todos os tipos de perdas (L1, L2, L3 e L4) podem aumentar;
c. RC: componente relativo a falhas de sistemas internos causados por LEMP. Perdas do tipo L2 e L4 podem ocorrer em todos os casos junto com o tipo L1, nos casos de estruturas com risco de explosão e hospitais ou outras estruturas onde falhas de sistemas internos possam imediatamente colocar em perigo a vida humana.
Somam-se os componentes de risco para uma estrutura devido às descargas atmosféricas perto da estrutura, que são definidos como:
a. RM: componente relativo a falhas de sistemas internos causados por LEMP. Perdas do tipo L2 e L4 podem ocorrer em todos os casos junto com o tipo L1, nos casos de estruturas com risco de explosão e hospitais ou outras estruturas onde falhas de sistemas internos possam imediatamente colocar em perigo a vida humana.
Há, ainda, a necessidade de se considerar três componentes de risco para uma estrutura, considerando às descargas atmosféricas a uma linha conectada à estrutura:
a. RU: componente relativo a ferimentos aos seres vivos causados por choque elétrico devido às tensões de toque e passo dentro da estrutura. Perda do tipo L1 e, no caso de propriedades agrícolas, perdas do tipo L4 com possíveis perdas de animais podem também ocorrer;
b. RV: componente relativo a danos físicos (incêndio ou explosão iniciados por centelhamentos perigosos entre instalações externas e partes metálicas geralmente no ponto de entrada da linha na estrutura) devido à corrente da descarga atmosférica transmitida ou ao longo das linhas. Todos os tipos de perdas (L1, L2, L3 e L4) podem ocorrer;
c. RW: componente relativo a falhas de sistemas internos causados por sobretensões induzidas nas linhas que entram na estrutura e transmitidas a esta. Perdas do tipo L2 e
L4 podem ocorrer em todos os casos, junto com o tipo L1, nos casos de estruturas com risco de explosão e hospitais ou outras estruturas onde falhas de sistemas internos possam, imediatamente, colocar em perigo a vida humana.
Ressalta-se que, para esses três componentes de risco as linhas consideradas são apenas as que entram na estrutura.
São entendidos como componentes de risco para uma estrutura devido às descargas atmosféricas perto de uma linha conectada à estrutura:
a. RZ: componente relativo a falhas de sistemas internos causados por sobretensões induzidas nas linhas que entram na estrutura e transmitidas a esta. Perdas do tipo L2 e L4 podem ocorrer em todos os casos, junto com o tipo L1, nos casos de estruturas com risco de explosão e hospitais ou outras estruturas onde falhas de sistemas internos possam, imediatamente, colocar em perigo a vida humana.
Devem ser considerados, para a composição dos componentes de risco, cada tipo de perda na estrutura, esses são apresentados a seguir:
a. R1: Risco de perda de vida humana:
R1= RA1+ RB1+ RC1 1 + RM1 1 + RU1 + RV1 + RW1 1 + RZ1 1 (1)
Esse risco deve ser considerado apenas para estruturas com risco de explosão e hospitais com equipamentos elétricos para salvar vidas ou outras estruturas que, quando da falha dos sistemas internos, imediatamente possa representar em perigo à vida humana.
b. R2: Risco de perdas de serviço ao público:
R2 = RB2 + RC2 + RM2 + RV2 + RW2 + RZ2 (2)
c. R3: Risco de perdas de patrimônio cultural:
R3 = RB3 + RV3 (3)
d. R4: Risco de perdas de valor econômico:
R4= RA4 2 + RB4 + RC4 + RM4 + RU4 2 + RV4 + RW4 + RZ4 (4)
Os componentes de risco que correspondem a cada tipo de perda são também agrupados na Tabela 4, a seguir.
Tabela 4: Componentes de risco a serem considerados para cada tipo de perda em uma estrutura Fonte de danos Descarga atmosférica na Estrutura S1 Descarga atmosférica perto da estrutura S2 Descarga atmosférica em uma linha conectada à estrutura S3 Descarga atmosférica perto de uma linha conectada à estrutura S4 Componente de risco RA RB RC RM RU RV RW RZ R1 a a a a R2 R3 R4 b b
Fonte: Baseado na ABNT 5419-2 (2015).
a Somente para estruturas com risco de explosão e para hospitais ou outras estruturas, quando a falha dos sistemas internos, imediatamente, possam colocar em perigo a vida humana.
b Somente para propriedades onde animais possam ser perdidos. 2.2.1.2 Gerenciamento de risco
Segundo a NBR 5419-2 (2015), devem-se adotar alguns procedimentos básicos para o gerenciamento de risco. Neste subtópico, apresentam-se esses procedimentos ademais de fatores a serem considerados para a realização eficiente do gerenciamento de risco. Entre os procedimentos básicos, destacam-se os seguintes:
a. identificação da estrutura a ser protegida e suas características;
b. identificação de todos os tipos de perdas na estrutura e os correspondentes riscos relevantes R (R1 a R4);
c. avaliação do risco R para cada tipo de perda R1 a R4;
d. avaliação da necessidade de proteção, por meio da comparação dos riscos R1, R2 e R3 com os riscos toleráveis RT;
e. avaliação da eficiência do custo da proteção pela comparação do custo total das perdas com ou sem as medidas de proteção. Neste caso, a avaliação dos componentes de risco
R4 deve ser feita no sentido de avaliar tais custos.
Para realizar a análise de risco, deve-se considerar os seguintes elementos da estrutura: a. a própria estrutura;
b. as instalações na estrutura; c. o conteúdo da estrutura;
d. as pessoas na estrutura ou nas zonas até 3 m para fora da estrutura; e. o meio ambiente afetado por danos na estrutura.
A proteção não inclui as linhas conectadas fora da estrutura.
Há uma tolerância para qualquer risco, essa análise é de responsabilidade da autoridade que tenha jurisdição para avaliar o risco aceitável. O risco tolerável, RT, que envolve perdas de vida humana ou perda de valores sociais ou culturais estão apresentados na Tabela 5.
Tabela 5: Valores típicos de risco tolerável RT
Tipo de perda RT (y–1)
L1 Perda de vida humana ou
ferimentos permanentes
10
L2 Perda de serviço ao público 10
L3 Perda de patrimônio cultural 10
Fonte: Baseado na ABNT 5419-2 (2015).
Considera-se que, para avaliar a perda de valor econômico (L4), deve-se realizar a comparação custo/benefício. Caso os dados para a análise não estejam disponíveis, pode-se utilizar o valor representativo de risco tolerável RT =
10 .
Adotam-se alguns procedimentos para avaliar a necessidade de proteção e os riscos R1, R2 e R3 devem ser considerados na avaliação da necessidade da proteção contra as descargas atmosféricas. Existem passos determinados a serem adotados para cada tipo de risco, destacam-se, abaixo, esses passos:
a. identificação dos componentes RX que compõem o risco; b. cálculo dos componentes de risco identificados RX; c. cálculo do risco total R;
d. identificação dos riscos toleráveis RT;
e. comparação do risco R com o valor do risco tolerável RT.
Se R ≤ RT, a proteção contra a descarga atmosférica não é necessária.
Se R > RT, medidas de proteção devem ser adotadas no sentido de reduzir R ≤ RT para todos os riscos aos quais a estrutura está sujeita.
2.2.1.3 Análise dos componentes de risco
Utiliza-se a equação básica para analisar os componentes de risco. Cada componente de risco: RA, RB, RC, RM, RU, RV, RW e RZ é expressa pela seguinte equação geral:
RX = NX × PX × LX (5) onde
NX é o número de eventos perigosos por ano; PX é a probabilidade de dano à estrutura; LX é a perda consequente.
O número de eventos perigosos, NX, é influenciado pela densidade de descargas atmosféricas para a terra (NG) e pelas características físicas da estrutura a ser protegida, sua vizinhança, linhas conectadas e o solo. Enquanto que probabilidade de dano à estrutura, PX, é comprometida pelas características da estrutura a ser protegida, das linhas conectadas e das medidas de proteção existentes.
No tocante à perda consequente, LX, é afetada pelo uso ao qual a estrutura foi construída, pela frequência das pessoas pelo tipo de serviço fornecido ao público, pelo valor dos bens afetados pelos danos e pelas medidas providenciadas para limitar a quantidade de perdas.
Para realizar a análise dos componentes de risco devido às descargas atmosféricas na estrutura (S1), as equações aplicáveis estão apresentadas a seguir:
a. componente relacionado a ferimentos a seres vivos por choque elétrico (D1)
RA = ND × PA × LA (5)
b. componente relacionado a danos físicos (D2)
RB = ND × PB × LB (6)
c. componente relacionado à falha de sistemas internos (D3)
RC = ND × PC × LC (7)
Parâmetros, para avaliar estes componentes de risco, são dados na Tabela 6.
Já para realizar a avaliação dos componentes de risco devido às descargas atmosféricas perto da estrutura (S2), a equação seguinte é aplicável:
a. componente relacionado à falha dos sistemas internos (D3):
RM = NM × PM × LM (8)
Os parâmetros para avaliar estes componentes de risco estão descritos na Tabela 6. Para a análise dos componentes de risco devido às descargas atmosféricas em uma linha conectada à estrutura (S3), as seguintes equações são aplicáveis:
a. componente relacionado a ferimentos a seres vivos por choque elétrico (D1)
RU = (NL + NDJ) × PU × LU (9)
b. componente relacionado a danos físicos (D2)
RV = (NL + NDJ) × PV × LV (10)
c. componente relacionado à falha dos sistemas internos (D3)
RW = (NL + NDJ) × PW × LW (11)
Parâmetros, para avaliar estes componentes de risco são dados na Tabela 6.
Quanto à avaliação dos componentes de risco devido às descargas atmosféricas perto de uma linha conectada à estrutura (S4), utiliza-se a equação abaixo:
a. componente relacionado à falha dos sistemas internos (D3):
RZ = NI × PZ × LZ (12)
Parâmetros, para avaliar estes componentes de risco, são dados na Tabela 6. Tabela 6: Parâmetros relevantes para avaliação dos componentes de risco
Símbolo Denominação Valor de acordo com
a Seção Número médio anual de eventos perigosos devido às descargas atmosféricas
ND à estrutura A.2
NM perto da estrutura A.3
NL em uma linha conectada à
estrutura A.4
NI perto de uma linha
conectada à estrutura A.5
NDJ a uma estrutura adjacente A.2
Probabilidade de uma descarga atmosférica na estrutura causar
PA ferimentos a seres vivos por
choque elétrico B.2
PB danos físicos B.3
PC falha de sistemas internos B.4
Probabilidade de uma descarga atmosférica perto da estrutura causar
PM falha de sistemas internos B.5
Probabilidade de uma descarga atmosférica em uma linha causar
PU ferimentos a seres vivos por
choque elétrico B.6
PV danos físicos B.7
PW falha de sistemas internos B.8
PZ falha de sistemas internos B.9 Perda devido a
LA = LU ferimentos a seres vivos por
choque elétrico C.3
LB= LV danos físicos C.3, C.4, C.5, C.6
LC = LM = LW = LZ falha de sistemas internos C.3, C.4, C.6
Fonte: Baseado na ABNT 5419-2 (2015).
Na Tabela 7 são descritos os tipos diferentes de danos e diferentes fontes de danos. Tabela 7: Componentes de risco para diferentes tipos de danos e fontes de danos
Danos Fonte de danos S1 Descarga atmosférica na estrutura S2 Descarga atmosférica perto da estrutura S3 Descarga atmosférica na linha conectada S4 Descarga atmosférica perto da linha conectada D1 Ferimentos a seres vivos devido a choque elétrico RA= ND × PA × LA RU = (NL + NDJ) × PU × LU D2 Danos físicos RB = ND × PB × LB RV = (NL + NDJ) × PV × LV D3 Falha de sistemas eletroeletrônicos RC= ND × PC × LC RM = NM × PM × LM RW = (NL + NDJ) × PW × LW RZ = NI × PZ × LZ
Fonte: Baseado na ABNT 5419-2 (2015).
Pode-se dividir a estrutura em zonas, ZS, para avaliar cada componente de risco, sendo que cada zona ZS deve ter características homogêneas. No entanto, a estrutura pode ser, ou pode assumir ser, uma zona única.
a. Zonas ZS são principalmente definidas por:
tipo de solo ou piso (componentes de risco RA e RU);
compartimentos à prova de fogo (componentes de risco RB e RV); blindagem espacial (componentes de risco RC e RM).
b. Zonas adicionais podem ser definidas, de acordo com:
leiaute dos sistemas internos (componentes de risco RC e RM);
medidas de proteção existentes ou a serem instaladas (todos componentes de risco);
Precisa-se destacar que a divisão da estrutura em zonas ZS considera a exequibilidade da implementação da maioria das medidas de proteção adequadas. Destaca-se, ainda, que as zonas ZS, de acordo com a ABNT NBR 5419-2, podem ser ZPR baseadas na ABNT NBR 5419-4. Entretanto, elas podem ser diferentes também das ZPR.
Para realizar a avaliação de cada componente de risco em função de descargas atmosféricas na, ou próxima da linha, a linha pode ser e dividida em seções SL. Mas, a linha pode ser ou assumir ser, uma seção única.
Os componentes de riscos, seções SL, são identificados por: a. tipo da linha (aérea ou enterrada);
b. fatores que afetem a área de exposição equivalente (CD, CE, CT);
c. características da linha (blindada ou não blindada, resistência da blindagem). 2.2.2 Área de exposição equivalente e número anual de eventos perigosos
Para avaliar o número médio anual de eventos perigosos, N, que consideram as descargas atmosféricas da localidade onde a estrutura está implantada e das características físicas da própria estrutura, deve-se multiplicar a densidade de descargas atmosféricas para a terra, NG, pela área de exposição equivalente da estrutura, considerando os fatores de correção para as características físicas da estrutura.
A densidade de descargas atmosféricas para a terra é determinada pelo número de descargas atmosféricas por km2 por ano. É possível identificar esse valor nas redes de localização de descargas atmosféricas para a terra em diversas áreas no mundo.
Tabela 8: Fator de localização da estrutura CD
Localização da estrutura CD CD
Estrutura cercada por objetos mais altos 0,25
Estrutura cercada por objetos da mesma altura ou mais baixos 0,5
Estrutura isolada: nenhum outro objeto nas vizinhanças 1
Estrutura isolada no topo de uma colina ou monte 2
Fonte: Baseado na ABNT 5419-2 (2015).
2.2.3 Avaliação da probabilidade de danos
Uma forma de analisar as probabilidades de danos é baseada nas medidas de proteção de acordo com:
a. ABNT NBR 5419-3 para medidas de proteção para reduzir ferimentos a seres vivos e reduzir danos físicos;
b. ABNT NBR 5419-4 para medidas de proteção para reduzir falhas de sistemas internos. Deve-se justificar tecnicamente se outros valores forem escolhidos.
Caso os valores de probabilidades, PX, forem menores que 1, estes podem ser utilizados somente se a medida ou característica é valida para a estrutura completa ou zona da estrutura (ZS) a ser protegida e para todos os equipamentos pertinentes.
A Probabilidade, PA, de uma descarga atmosférica em uma estrutura causar ferimentos a seres vivos por meio de choque elétrico depende do SPDA adotado e das medidas de proteção adicionais adotadas:
PA = PTA × PB
onde
PTA depende das medidas de proteção adicionais contra tensões, como as listadas na
Tabela 9. PB depende do nível de proteção contra descargas atmosféricas (NP) para o qual o SPDA, de acordo com o ABNT NBR 5419-3, foi projetado. Os valores de PB são obtidos na Tabela 10.
Tabela 9: Valores de probabilidade PTA de uma descarga atmosférica em uma estrutura causar choque a seres vivos devido a tensões de toque e de passo perigosas
Medida de proteção adicional PTA
Nenhuma medida de proteção 1
Avisos de alerta 10–1
Isolação elétrica (por exemplo, de pelo menos 3 mm de polietileno reticulado das partes expostas (por exemplo, condutores de descidas)
10–2
Equipotencialização efetiva do solo 10–2
Restrições físicas ou estrutura do edifício utilizada como subsistema de descida
0
Fonte: Baseado na ABNT 5419-2 (2015).
Os valores de probabilidade de uma descarga atmosférica, PB, em uma estrutura causar danos físicos, em função do nível de proteção contra descargas atmosféricas, NP, estão descritos na Tabela 10. Para reduzir PB, um SPDA é adequado como medida de proteção.
Tabela 10: Valores de probabilidade PB, dependendo das medidas de proteção para reduzir danos físicos
Características da estrutura Classe do SPDA PB
Estrutura não protegida por SPDA 1
Estrutura protegida por SPDA IV 0,2
III 0,1
I 0,02 Estrutura com subsistema de captação, conforme SPDA classe I e uma
estrutura metálica contínua ou de concreto armado, atuando como um subsistema de descida natural
0,01 Estrutura com cobertura metálica e um subsistema de captação,
possivelmente incluindo componentes naturais, com proteção completa de qualquer instalação na cobertura contra descargas atmosféricas
diretas e uma estrutura metálica contínua ou de concreto armado, atuando como um subsistema de descidas natural
0,001
Fonte: Baseado na ABNT 5419-2 (2015).
A probabilidade de uma descarga atmosférica em uma estrutura causar falha a sistemas internos, PC é calculada por:
PC = PSPD × CLD
PSPD depende do sistema coordenado de DPS, conforme a ABNT NBR 5419-4 e do
nível de proteção contra descargas atmosféricas, NP, para o qual os DPS foram projetados. Os valores de PSPD são fornecidos na Tabela 11.
O CLD é um fator que depende das condições da blindagem, aterramento e isolamento da linha à qual o sistema interno está conectado. Os valores de CLD estão descritos na Tabela 12. É considerado adequado como uma medida de proteção para reduzir PC a adoção de um sistema coordenado de DPS.
Tabela 11: Valores de probabilidade de PSPD em função do NP para o qual os DPS foram projetados
NP Qual os DPS foram
projetados NP
Nenhum sistema de DPS coordenado 1
III-IV 0,05
II 0,02
I 0,01
NOTA 2 0,005 – 0,001
Fonte: Baseado na ABNT 5419-2 (2015).
Tabela 12: Valores dos fatores CLD e CLI, dependendo das condições de blindagem aterramento e isolamento
Tipo de linha externa Conexão na entrada CLD CLI
Linha aérea não blindada Indefinida 1 1
Linha enterrada não
blindada Indefinida 1 1
Linha de energia com
neutro multiaterrado Nenhuma 1 0,2
Linha enterrada blindada
(energia ou sinal) Blindagem não interligada ao mesmo barramento de
equipotencialização que o
