Estruturas Metalicas Como SPDA

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Uso de estruturas metalicas como SPDA

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    Srgio Ricardo Carvalho Noleto 96/20184

    Universidade de Braslia - UnB Faculdade de Tecnologia - FT Departamento de Engenharia Eltrica - ENE

    Projeto de Graduao em

    Engenharia Eltrica

    AS ESTRUTURAS METLICAS DAS EDIFICAES COMO SISTEMA DE PROTEO CONTRA

    DESCARGAS ATMOSFRICAS

    Srgio Ricardo Carvalho Noleto

    Braslia DF, dezembro de 2006.

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    Srgio Ricardo Carvalho Noleto 96/20184

    Universidade de Braslia - UnB Faculdade de Tecnologia - FT Departamento de Engenharia Eltrica - ENE

    Projeto de Graduao em

    Engenharia Eltrica

    AS ESTRUTURAS METLICAS DAS EDIFICAES COMO SISTEMA DE PROTEO CONTRA

    DESCARGAS ATMOSFRICAS

    Por: Srgio Ricardo Carvalho Noleto

    Orientador: Professor Alcides Leandro da Silva

    Braslia DF, dezembro de 2006.

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    Srgio Ricardo Carvalho Noleto 96/20184

    Universidade de Braslia - UnB Faculdade de Tecnologia - FT Departamento de Engenharia Eltrica - ENE

    AS ESTRUTURAS METLICAS DAS EDIFICAES COMO SISTEMA DE PROTEO CONTRA

    DESCARGAS ATMOSFRICAS

    Por: Srgio Ricardo Carvalho Noleto

    Monografia submetida ao Departamento de Engenharia Eltrica da Faculdade de Tecnologia da Universidade de Braslia UnB, como parte dos requisitos necessrios para a obteno do grau de Engenheiro Eletricista.

    Banca Examinadora:

    ______________________________________

    Prof. Alcides Leandro da Silva, Mestre (UnB) (Orientador)

    _________________________________________

    Prof. Francisco Damasceno Freitas, Doutor (UnB) (Examinador)

    ____________________________________

    Prof. Mauro Moura Severino, Mestre (UnB) (Examinador)

    Braslia DF, dezembro de 2006.

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    FICHA CATALOGRFICA

    Noleto, Srgio Ricardo Carvalho, As Estruturas Metlicas das Edificaes como Sistemas de Proteo Contra Descargas

    Atmosfricas / Srgio Ricardo Carvalho Noleto. Braslia-DF: UnB/FT/ENE, 2006. xiii, 124p.: il.; 31 cm.

    Monografia de Graduao - Universidade de Braslia, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Eltrica, 2006.

    Orientador: Alcides Leandro da Silva

    1. Descargas Atmosfricas. 2. Proteo Contra Choques Eltricos. 3. Pra-Raios. 4. SPDA. 5. Estruturas Metlicas das Edificaes - I. Ttulo.

    REFERNCIA BIBLIOGRFIA

    Noleto, Srgio Ricardo Carvalho (2006). As Estruturas Metlicas das Edificaes como Sistema de Proteo Contra Descargas Atmosfricas (Monografia de Graduao), Departamento de Engenharia Eltrica, Universidade de Braslia, Braslia DF.

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    RESUMO

    A importncia da proteo contra descargas atmosfricas, utilizando as partes metlicas embutidas nas colunas e vigamentos das edificaes como meios de escoamento das correntes oriundas desse fenmeno, o foco principal desta pesquisa.

    As visitas de campo possibilitaram verificar a efetiva aplicao das normas NBR 5410/2004 (Instalaes Eltricas de Baixa Tenso), NBR 5419/2005 (Proteo de Estruturas Contra Descargas Atmosfricas) e da NR 10 (Norma Regulamentadora do Ministrio do Trabalho, que trata de segurana em servios com Eletricidade). As estruturas metlicas atuando como sistemas de proteo contra descargas atmosfricas, suas implicaes na construo civil e a aceitao pelos construtores e engenheiros tambm foram verificadas.

    Construes que atendiam aos critrios de aplicao das normas e edificaes onde se desconsideravam as exigncias legais e a importncia do sistema de aterramento baseado nas estruturas metlicas foram constatadas. Verificou-se, adicionalmente, a construo de estruturas metlicas com a insero da RE-BAR, e o desconhecimento por parte de alguns construtores da necessidade de inserir barras exclusivamente dedicadas a sistemas de aterramento e SPDA.

    Finalmente, a pesquisa revelou que grande parte dos engenheiros civis ignora ou desconhece as tcnicas de SPDA e aterramento baseadas na utilizao das estruturas metlicas das edificaes, fato comprovado pelos baixos ndices de utilizao dessa tecnologia em novas construes. O trabalho constatou, ainda, que a maioria das edificaes no Distrito Federal no conta com sistemas de SPDA e aterramentos baseados nas estruturas metlicas das prprias construes.

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    DEDICATRIAS

    minha filha, Rafaela, por sua graciosidade, energia e por fazer da sua existncia a fonte da minha vida.

    minha esposa, Mariela, que tanto me incentivou nos momentos de dificuldade pelos quais passamos.

    Aos meus irmos Norberto Jnior e Kadu, que muito me incentivaram ao longo dessa jornada.

    Aos meus pais Norberto e Dora, que acreditaram no meu potencial e investiram na concretizao dessa tarefa.

    Srgio Ricardo Carvalho Noleto

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    AGRADECIMENTOS

    Agradeo inicialmente a Deus, por ter me dado fora para completar essa rdua jornada.

    Agradeo a minha querida famlia, minha filha, minha esposa, meus pais e meus irmos pelo apoio nas horas mais difceis e por acreditarem no meu potencial.

    Agradeo as minhas tias Rosimeire e Nelma, e minha Madrinha Iraneth, pelo auxlio na concluso dessa tarefa.

    Agradeo a minha sogra Marilene, aos meus cunhados Yure e Edmar, pelo apoio na concluso de mais essa etapa.

    Agradeo aos companheiros do Departamento de Servios Bancrios do Banco de Braslia, pela flexibilidade de horrio e compreenso na rotina de trabalho.

    Agradeo ao Engenheiro Civil nio Cordeiro Lins, pelo auxlio no esclarecimento de diversos pontos duvidosos e pela disposio nas visitas tcnicas.

    Finalmente, agradeo ao professor Alcides Leandro, mais que um mestre, um amigo.

    Srgio Ricardo Carvalho Noleto

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    SUMRIO

    1 INTRODUO............................................................................................................ 01 1.1 Metodologia..................................................................................................... 02

    2 FUNDAMENTAO TERICA.............................................................................. 04 2.1 Histrico sobre descargas atmosfricas........................................................... 04 2.2 Origem e formao das descargas atmosfricas.............................................. 08 2.2.1 As causas da eletrizao das nuvens................................................. 08 2.2.2 A induo de cargas e a quebra da rigidez dieltrica....................... 08 2.2.3 O movimento da carga lder............................................................. 10 2.2.4 Lderes conectantes e descarga de retorno....................................... 11 2.2.5 O relmpago..................................................................................... 12 2.2.6 Relmpagos mltiplos...................................................................... 13 2.2.7 Raios nuvem solo positivos........................................................... 14

    2.2.8 Maior incidncia de raios................................................................. 14 2.3 ndice cerunico.............................................................................................. 15 2.4 Medidores e contadores de descargas............................................................. 17 2.5 Densidade de raios........................................................................................... 19 2.6 Tipos de raios.................................................................................................. 19 2.7 Forma do raio.................................................................................................. 20 2.8 Valores dos raios............................................................................................. 21 2.9 Magnitude de corrente do raio......................................................................... 22

    3 EFEITOS DO RAIO EM ESTRUTURAS................................................................. 24 3.1 Nveis de proteo contra descargas atmosfricas.......................................... 24 3.2 Eficincia do SPDA......................................................................................... 24 3.3 Classificao e os efeitos dos raios nas estruturas.......................................... 25 3.4 rea de captao do raio em uma estrutura.................................................... 27 3.5 ndice de risco................................................................................................. 28

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    4 MTODOS DE PROTEO..................................................................................... 31 4.1 Componentes de um sistema de proteo........................................................ 31 4.2 Os mtodos de proteo.................................................................................. 35

    4.2.1 O mtodo Franklin............................................................................ 35 4.2.1.1 O ngulo de proteo......................................................... 39 4.2.1.2 Determinao do volume de proteo............................... 40 4.2.2 Mtodo de gaiola ou da malha de Faraday....................................... 41 4.2.2.1 Lei de Lenz........................................................................ 41 4.2.2.2 Principio de proteo por Faraday..................................... 42 4.2.2.3 Dimenses dos anis da gaiola de Faraday........................ 43

    4.2.3 Modelo eletrogeomtrico.................................................................. 46 4.2.3.1 Zona espacial de proteo.................................................. 47 4.3 Comentrios e comparativo entre os trs mtodos.......................................... 48 4.3.1 Mtodo Franklin............................................................................... 48 4.3.2 Mtodo Faraday................................................................................ 48 4.3.3 Mtodo eletrogeomtrico.................................................................. 49 4.4 Os captores...................................................................................................... 49 4.4.1 Materiais e dimensionamento dos captores...................................... 49 4.4.2 Captores radioativos......................................................................... 51 4.5 Os condutores de descida................................................................................ 51 4.5.1 Indutncia dos condutores de descida.............................................. 52 4.5.2 Materiais para as descidas................................................................ 55 4.5.3 Dimenses........................................................................................ 55

    4.5.4 Quantidade, espaamento e encaminhamento das descidas............. 55 4.5.5 Superfcies equipotenciais na estrutura............................................ 56 4.6 Sistemas de aterramento.................................................................................. 58 4.6.1 Medio da resistncia de aterramento............................................. 61 4.6.2 Melhoria da resistncia de terra........................................................ 65

    4.6.3 Materiais, dimensionamento e resistncia de aterramento............... 66

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    5 AS ESTRUTURAS METLICAS DAS EDIFICAS COMO SPDA E ATERRAMENTO.............................................................................................................. 68

    5.1 - Viabilidade e compatibilidade das estruturas metlicas como SPDA e aterramento............................................................................................................... 69 5.2 Re-Bar (Reinforcing Bars).............................................................................. 74 5.3 Ensaio de continuidade das armaduras............................................................ 75

    6 DETALHES EXECUTIVOS DAS ESTRUTURAS METLICAS DAS EDIFICAES COMO SPDA E ATERRAMENTO.................................................... 77 7 RESTRIES DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO........................................ 105

    7.1 Concreto armado........................................................................................... 105 7.1.1 Os possveis riscos.......................................................................... 105 7.1.2 O aquecimento das barras............................................................... 106 7.1.3 Os arcos nas junes....................................................................... 107 7.1.4 Os efeitos das descargas eltricas no concreto............................... 107 7.1.5 A execuo segura.......................................................................... 108 7.1.6 O concreto pr moldado.............................................................. 109

    8 AS INTERFERNCIAS NA CONSTRUO CIVIL E A ACEITAO PELOS CONSTRUTORES........................................................................................................... 110 9 CONCLUSES.......................................................................................................... 113 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS........................................................................... 116 ANEXOS........................................................................................................................... 118

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    LISTA DE FIGURAS

    Figura 2.1 Desenho de Zeus.................................................................................. 05 Figura 2.2 Experincia de Franklin....................................................................... 06 Figura 2.3 Campo Eltrico Nuvem Solo............................................................ 09 Figura 2.4 Canal Induzido..................................................................................... 10 Figura 2.5 Descarga Atmosfrica.......................................................................... 12 Figura 2.6 Descarga de Retorno............................................................................ 14 Figura 2.7 Mapa Isocerunico do Brasil............................................................... 16 Figura 2.8 Formato do Raio.................................................................................. 20 Figura 2.9 Raio Seco............................................................................................. 23 Figura 2.10 Raio na Encosta.................................................................................. 23 Figura 3.1 rea de Atrao................................................................................... 27 Figura 4.1 Captor................................................................................................... 32 Figura 4.2 Descidas............................................................................................... 33 Figura 4.3 Aterramento......................................................................................... 34 Figura 4.4 Mtodo Franklin................................................................................... 36 Figura 4.5 Volume de Proteo............................................................................. 37 Figura 4.6 Cone de Proteo................................................................................. 38 Figura 4.7 Corte Lateral........................................................................................ 40

    Figura 4.8 Lei de Lenz.......................................................................................... 42 Figura 4.9 Gaiola de Faraday................................................................................ 43 Figura 4.10 Nveis de Proteo........................................................................ 44/45 Figura 4.11 Zona Especial de Proteo................................................................. 47 Figura 4.12 Captor Radioativo.............................................................................. 51 Figura 4.13 Indutncia dos Condutores de Descida.............................................. 53 Figura 4.14 Correntes Induzidas........................................................................... 54

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    Figura 4.15 Caminho de Descida.......................................................................... 56 Figura 4.16 Tenses Induzidas.............................................................................. 57 Figura 4.17 Superfcies Equipotenciais................................................................. 58 Figura 4.18 Medio da resistncia de aterramento.............................................. 63 Figura 6.1 Detalhe Interligao da Estrutura Metlica.......................................... 77 Figura 6.2 Detalhe Caixa para Terra..................................................................... 78 Figura 6.3 Detalhe Ferro Adicional no Tubulo................................................... 79 Figura 6.4 Detalhe Interligao das Descidas no Pilares pela Viga Baldrame.................................................................................................................. 80 Figura 6.5 Detalhe Aterramento em Tubulo........................................................ 81 Figura 6.6 Detalhe Aterramento............................................................................ 82 Figura 6.7 Detalhe Conexo no P do Pilar.......................................................... 83 Figura 6.8 Detalhe Ferro Adicional no Pilar......................................................... 84 Figura 6.9 Detalhe Ferro Adicional na Viga Baldrame......................................... 84 Figura 6.10 Detalhe Conexo do Ferro Adicional no Pilar................................... 85 Figura 6.11 Detalhe Encontro das Ferragens das Lajes com os Pilares................ 86 Figura 6.12 Detalhe Barra Excedente de Descida................................................. 87 Figura 6.13 Detalhe Ferro Adicional em Pilar...................................................... 88 Figura 6.14 Detalhe Interligao dos Pilares da Junta de Dilatao para Malha Equipotencial............................................................................................................ 89 Figura 6.15 Detalhe Interligao dos Pilares da Junta de Dilatao..................... 90 Figura 6.16 Detalhe Opes de Amarrao........................................................... 91 Figura 6.17 Detalhe Medio dos Alimentadores................................................. 92 Figura 6.18 Detalhe Bloco de Fixao para Base................................................. 93 Figura 6.19 Detalhe Caixa para Medio Equipotencial....................................... 94 Figura 6.20 Detalhe Equipotencializao Principal.............................................. 95 Figura 6.21 Detalhe do Aterramento da Guia do Elevador................................... 96 Figura 6.22 Detalhe do Aterramento do Guarda Copo Metlico.......................... 97 Figura 6.23 Detalhe Platibanda da Cobertura....................................................... 98 Figura 6.24 Detalhe Platibanda e Terminal Areo................................................ 99 Figura 6.25 Detalhe Interligao da Cordoalha ao Rufo Metlico...................... 100

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    Figura 6.26 Detalhe Interligao da Ferragem ao Rufo Metlico....................... 101 Figura 6.27 Detalhe Antena Coletiva.................................................................. 102 Figura 6.28 Detalhe Interligao da Cordoalha em Telha Metlica ou Fibro - Cimento.................................................................................................................. 103

    Figura 6.29 Detalhe Pra Raio tipo Franklin.................................................... 104 Figura A1 - Detalhamento Captor Franklin........................................................... 118

    Figura A2 - Detalhamento Suporte Captor............................................................. 118 Figura A3 - Detalhamento das Descidas................................................................ 118 Figura A4 - Detalhamento da Malha...................................................................... 118 Figura A5 - Detalhamento das Descidas................................................................ 119 Figura A6 - Detalhamento das Descidas................................................................ 119 Figura A7 - Detalhamento dos Isoladores.............................................................. 119 Figura A8 - Pra-Raios Franklin............................................................................ 119 Figura A9 - Condutor de Descida........................................................................... 120 Figura A10 - Pra-Raios Franklin.......................................................................... 120 Figura A11 - Condutor de Descida......................................................................... 120 Figura A12 - Aterramento...................................................................................... 120 Figura A13 - Estaqueamento do terreno................................................................. 121 Figura A14 - Sistema de Tubulo........................................................................... 121 Figura A15 - Detalhe Barra de Aterramento.......................................................... 121 Figura A16 - Detalhamento do Tubulo................................................................. 121 Figura A17 - Detalhamento Aterramento............................................................... 121

    Figura A18 - Detalhamento Conexo..................................................................... 121 Figura A19 - Detalhamento P do Pilar................................................................. 122 Figura A20 - Detalhe Amarrao........................................................................... 122

    Figura A21 - Detalhamento das Vigas................................................................... 122 Figura A22 - Anel de Aterramento......................................................................... 122 Figura A23 - Detalhe Estrutura Metlica............................................................... 122 Figura A24 - Caixa de Inspeo............................................................................. 123 Figura A25 - Barramento Equipotencial................................................................ 123 Figura A26 - Malha de Aterramento...................................................................... 123

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    Figura A27 - Conexo Malha Aterramento............................................................ 123 Figura A28 - Conexo Malha Aterramento............................................................ 123

    Figura A29 - Conexo Malha Aterramento............................................................ 123 Figura A30 - Aterramento Massa Metlica............................................................ 124

    Figura A31 - Aterramento Massa Metlica............................................................ 124 Figura A32 - Aterramento Antena TV................................................................... 124

    Figura A33 - Aterramento Massa Metlica............................................................ 124 Figura A34 - Fixao Malha Aterramento............................................................. 124

    Figura A35 - Placa como Pra-Raios Natural........................................................ 124

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    LISTA DE TABELAS

    Tabela 2.1 ndices Cerunicos das Capitais Brasileiras........................................ 17 Tabela 2.2 Valores do Raio................................................................................... 18 Tabela 2.3 Descargas Diretas do Raio................................................................... 22 Tabela 3.1 Nveis de Proteo Contra Descargas Atmosfricas........................... 24 Tabela 3.2 Eficincia dos Nveis de Proteo....................................................... 25 Tabela 3.3 Classificao das Estruturas................................................................ 26 Tabela 3.4 Fator de Ponderao em funo do tipo de ocupao......................... 29 Tabela 3.5 Fator de Ponderao em funo do material de construo e cobertura................................................................................................................... 29 Tabela 3.6 Fator de Ponderao em funo do contedo...................................... 29 Tabela 3.7 Fator de Ponderao em funo da localizao................................... 29 Tabela 3.8 Fator de Ponderao em funo da topografia.................................... 29 Tabela 3.9 Necessidade de proteo em funo da probabilidade........................ 30 Tabela 4.1 ngulos do cone de proteo em funo do nvel de proteo para at 20m........................................................................................................................... 39 Tabela 4.2 ngulos do cone de proteo em funo do nvel e da altura para at 60m........................................................................................................................... 39 Tabela 4.3 Nvel de Proteo................................................................................ 41 Tabela 4.4 Nvel de Proteo................................................................................ 44 Tabela 4.5 Nvel de Proteo................................................................................ 44 Tabela 4.6 Sees Mnimas para Captores............................................................ 50 Tabela 4.7 Espessuras Mnimas para Captores..................................................... 50 Tabela 4.8 Indutncias para condutores de seco circular................................... 53 Tabela 4.9 Dimenses dos condutores de descida................................................ 55 Tabela 4.10 Espaamentos mximos conforme o nvel de proteo..................... 55

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    1. INTRODUO

    A utilizao das estruturas metlicas embutidas nas colunas e vigamentos das edificaes sempre foi um tema polmico, dividindo a opinio entre as engenharias civil e eltrica. A utilizao das estruturas metlicas propicia meios alternativos para disperso das descargas atmosfricas, diminuindo o tempo de neutralizao dos potenciais eltricos e minimizando seus efeitos danosos, como:

    Incndios em florestas, campos e prdios;

    Destruio de estruturas e rvores;

    Colapso na rede de energia eltrica;

    Interferncia na rdio transmisso;

    Acidentes na aviao;

    Acidentes nas embarcaes martimas;

    Acidentes nas torres de poos de petrleo;

    Acidentes nas plataformas martimas de petrleo;

    Mortes em seres humanos e animais.

    Mesmo com todos os esforos, no se consegue evitar que um raio caia sobre um determinado prdio. Dessa forma, empenha-se para disciplinar a sua queda, obrigando-o a seguir o caminho pr-determinado para a terra, atravs da utilizao do pra-raios e de seus componentes.

    As orientaes tcnicas para proteger as edificaes contra as descargas atmosfricas encontram-se nas normas editadas pela Associao Brasileira de Normas Tcnicas (ABNT), atravs do Comit Brasileiro de Eletricidade (ABNT/CB), nos Organismos de Normalizao Setorial (ABNT/NOS) e nas Comisses de Estudo Especiais

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    Temporrios (ABNT/CEET), rgos responsveis pelas normas tcnicas NBR 5410/2004 (Instalaes Eltricas de Baixa Tenso) e NBR 5419/2005 (Proteo de Estruturas Contra Descargas Atmosfricas).

    Esse trabalho visa trazer informaes, com base em legislao e pesquisa de campo, sobre as prticas de implantao de sistemas de proteo contra descargas atmosfricas (SPDA) e sistema de aterramento. Ressalte-se que a pesquisa de campo foi realizada em funo dos baixos ndices de utilizao das estruturas metlicas das edificaes como proteo aos choques eltricos no Distrito Federal, contrariando as normas tcnicas e expondo a populao e as edificaes a riscos desnecessrios.

    Visando a segurana da populao e das edificaes, bem como o atendimento s normas, foram realizadas inspees em SPDA e em sistemas de aterramento de diversas edificaes no Distrito Federal, verificando sempre as condies dos sistemas avaliados, sua funcionalidade e sua concepo segundo as normas NBR 5410/2004 e NBR 5419/2005, que determinam utilizao preferencial das estruturas metlicas das edificaes como SPDA e aterramento.

    Adicionalmente pesquisa de campo, coletou-se a opinio dos construtores e engenheiros civis sobre essa tecnologia, pouco utilizada em virtude da desconfiana quanto utilizao da prpria estrutura metlica como SPDA e aterramento. Para edificaes em fase inicial de projeto, possvel a adequao das estruturas metlicas ao que proposto pelas normas. Deve-se destacar que a aceitao integral das normas de suma importncia na construo de edificaes mais eficazes na proteo contra choques e descargas eltricas, aliando o custo-benefcio, a funcionalidade, a esttica e o atendimento legislao em vigor.

    1.1 - Metodologia

    A pesquisa foi desenvolvida em 9 (nove) captulos e anexos, assim distribudos:

    No captulo 1, foi apresentada uma breve introduo sobre a importncia do uso das estruturas metlicas como proteo contra descargas atmosfricas e a metodologia utilizada

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    no projeto. No captulo 2, discorreu-se sobre o histrico das descargas atmosfricas, suas origens, densidade, tipos, formatos e valores dos raios. No captulo 3, foram trabalhados os efeitos dos raios nas estruturas, os quatro nveis de proteo contra descargas atmosfricas, suas eficincias e classificaes, tratando ainda da rea de captao em uma estrutura e do ndice de risco. No captulo 4, foram apresentados os mtodos de proteo de Franklin, Faraday e o mtodo eletrogeomtrico e suas particularidades. Foram tratados tambm os componentes de um sistema de proteo contra descargas atmosfricas (SPDA), suas peculiaridades, materiais, dimensionamento e exigncias.

    No captulo 5, foram trabalhados os conceitos das estruturas metlicas das edificaes como SPDA e aterramento. Nesse captulo, foram abordados os requisitos para a execuo desses sistemas, tratando-se adicionalmente o conceito da Re-Bar e o ensaio de continuidade das armaduras. No captulo 6, foram apresentados os detalhamentos executivos das estruturas metlicas como SPDA e aterramento. Nesse item, so trabalhados os esquemticos empregados em tais sistemas, tipos de conexes, equipotencializao e aterramento das massas metlicas.

    No capitulo 7, so apresentadas as restries da utilizao das estruturas metlicas e suas possveis implicaes nas estruturas de concreto. Nesse tpico, so apresentados os riscos associados m utilizao das estruturas metlicas como SPDA e aterramento. No captulo 8, so discutidas as interferncias na construo civil e a aceitao da utilizao das estruturas metlicas atuando como SPDA e aterramento, sendo apresentadas s opinies dos construtores e engenheiros civis coletadas em campo. O captulo 9 traz as concluses acerca da pesquisa de campo, analisando comparativamente as exigncia das normas e a prtica verificada. Neste tpico, sero abordados diversos fatores que reafirmam a validade da teoria abordada e a necessidade de verificar o cumprimento das normas nas edificaes em fase de construo. Finalmente, nos anexos so apresentadas diversas fotografias que tratam dos sistemas de SPDA e aterramento tradicionais, bem como as fotografias obtidas em diferentes edificaes no Distrito Federal, exemplificando os procedimentos a serem adotados na construo de SPDA e aterramentos utilizando s estruturas metlicas das edificaes.

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    2. FUNDAMENTAO TERICA

    2.1 - Histrico sobre descargas atmosfricas

    O raio sempre existiu, fazendo parte da prpria evoluo e formao da Terra. No inicio, h milhes de anos, no processo de resfriamento do planeta, tempestades violentas existiam em abundncia. Com o resfriamento da Terra, as tempestades se estabilizaram, mantendo-se num equilbrio natural. Hoje, devido principalmente ao humana, alteraes rpidas neste equilbrio esto sendo observadas, podendo produzir modificaes no contedo da bagagem histrica at ento registrada, alterando os parmetros empricos usados nos estudos estatsticos dos raios.

    Como a ao do raio acompanhada pela luminosidade e trovoada, sua presena sempre foi respeitada e observada, tendo-se encontrado registros em 2000a.C., na Mesopotmia. Na antiguidade, o raio estava sempre associado a deuses e divindades, sendo fartamente apresentado na literatura grega de 700a.C., onde os registros mitolgicos mostram Zeus (figura 2.1) como sendo o deus do raio. Os gregos acreditavam que os ciclopes, ao todo trs gigantes de um olho s (chamados Arges, Brontes e Estropes), forjavam raios para Zeus lan-los sobre os mortais. Na mitologia chinesa, a deusa Tien Um cuidava das trovoadas e Lien Tsu era o deus do trovo. A mitologia nrdica, por exemplo, dizia que Thor era o deus dos relmpagos. Em seus momentos de ira, o deus Thor usava um martelo mgico, chamado Mijollnir, para golpear todos os corpos celestes, o que resultava num grande barulho, o barulho de Thor (ou Thor Don na lngua nativa da Islndia). Essa era a origem do trovo para aquele povo, sempre precedendo as tempestades. Com o decorrer dos anos os registros de raios passaram a ser rotinas, sendo citados em diversos documentos, inclusive na Bblia. E foram muitos outros deuses "inventados" e cultuados para explicar as descargas atmosfricas. Apesar do

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    desenvolvimento da cincia nessa rea e esclarecidas as causas dos relmpagos, a figura do mito ainda dever sobreviver por um longo tempo. [19]

    Figura 2.1 Desenho de Zeus [19]

    Antigamente, os efeitos destrutivos do raio eram associados s pedras incandescentes que violentamente caam do cu na ponta de um raio. S no sculo XVIII comearam os pesquisadores a associar o raio aos fenmenos da descarga eltrica das cargas acumuladas nas nuvens. Deste modo, o arco eltrico associado descarga explicou a luminosidade do raio, sendo o rudo (trovoada) produzido pelo rpido aquecimento e expanso sbita do ar.

    No incio do sculo XVIII, quando o estudo da Eletricidade se intensificou, muitos cientistas, movidos pela curiosidade e pelo desejo de explicar os fatos mediante uma experincia, se dispuseram a investigar os fenmenos eltricos. Aparentemente em 1708, o cientista William Wall foi o primeiro a observar que a fasca que saa de um pedao de mbar eletrizado assemelhava-se descarga de um relmpago. Aps isso, outras importantes descobertas sobre eletrizao dos corpos sugeriram que relmpagos deveriam ser manifestaes eltricas na atmosfera.

    O americano Benjamin Franklin (1706-1790) projetou uma experincia para provar essa suspeita. Em junho de 1752, ele realizou o famoso experimento empinando uma pipa com um objeto metlico preso no extremo de uma linha condutora, nas proximidades de nuvens de tempestade. A outra ponta da linha ligava-se a uma garrafa de Leyden, dispositivo que armazenava eletricidade. Ele queria provar que era possvel descarregar a

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    eletricidade das nuvens por meio de um condutor pontudo, lenta e imperceptivelmente. Franklin registrou que sentiu pequenas descargas eltricas intermitentes pelo seu corpo, provando assim que nuvens carregadas produzem os relmpagos.

    Figura 2.2 Experincia de Franklin [19]

    Em maio de 1752, o cientista francs Thomas-Franois DAlibard (1703-1799) realizou o experimento proposto por Franklin. DAlibard levantou uma barra de ferro pontiaguda na direo de nuvens de tempestade e aproximou desta um fio aterrado, verificando que fascas saltavam do mastro para o fio, o que alm de provar a hiptese de Franklin, estabeleceu os princpios do funcionamento dos pra-raios.

    Naquela poca, muitos pesquisadores utilizavam tal mtodo para armazenar eletricidade necessria s suas pesquisas, porm como os dispositivos eram verdadeiros "chama-raios", por no estarem ligados a Terra, acabaram por ocasionar muitos acidentes, alguns deles fatais. O pesquisador russo G.W. Richman aps repetir a experincia de Franklin, morreu fulminado pelo raio que caiu em sua pipa. Aps este fato, vrios pesquisadores amarravam bales e pipas a animais, como cavalos e ovelhas, para estudar o efeito e a reao muscular devido ao raio.

    Esses dispositivos deram origem aos pra-raios, que se tornaram pea fundamental na proteo contra os relmpagos, sendo aperfeioados anos mais tarde. Hoje se sabe que os relmpagos esto relacionados eletricidade na atmosfera. Eles iniciam com os raios, que nada mais so do que cargas eltricas em movimento ordenado, ou seja, uma corrente eltrica na atmosfera produzindo dois efeitos: a iluminao de uma regio especfica do

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    espao onde elas se movimentam (que o relmpago propriamente dito) e o brusco aquecimento do ar nessa regio, causando uma onda sonora denominada trovo. muito comum aplicarem-se os termos raios e relmpagos como sendo sinnimos, apesar de eles serem diferentes, e o segundo ser conseqncia do primeiro.

    Acredita-se que os raios tm um largo efeito sobre nosso meio ambiente e provavelmente estavam presentes durante o surgimento da vida na terra. Os raios podem ter colaborado na gerao das molculas que deram origem a vida. Pesquisas indicam que o aminocido, substncia que formou a crosta terrestre, tem origem nas descargas eltricas dos gases existentes na atmosfera. Independentemente da ao do homem, os raios provocam incndios, constituindo-se em agentes naturais para a manuteno do equilbrio da quantidade de rvores e plantas. So tambm responsveis por mudanas nas caractersticas da atmosfera ao redor das regies onde ocorrem, quebrando molculas de componentes do ar e produzindo novos elementos. Portanto, modificam a concentrao de importantes elementos, como o gs oznio, que se misturam com a chuva e precipitam

    como fertilizante natural. Apesar de tudo que conhecido, os estudos sobre eletricidade atmosfrica esto longe de se esgotarem, existindo ainda fenmenos de causas desconhecidas relacionados aos raios. [5]

    Hoje, para estudar o raio, usam-se processos mais sofisticados, como o de criar entre o laboratrio e a nuvem um caminho de ar ionizado produzido pelo lanamento de foguetes. Atravs do caminho de ar ionizado, a probabilidade de o raio escoar para a terra maior e, desta maneira, pode-se examinar melhor o raio atravs de mquinas fotogrficas rotativas especiais de alta velocidade, capazes de congelar vrias tomadas sucessivas do raio, alm de oscilgrafos especiais responsveis pelo acompanhamento do desempenho do raio.

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    2.2 - Origem e Formao das Descargas Atmosfricas

    2.2.1 - As causas da eletrizao das nuvens

    Um raio dura em mdia meio segundo e, nesse intervalo de tempo, muitos fenmenos se combinam, principalmente fsicos e climticos, para resultar no que se v e ouve. Conforme esses fenmenos variam, as descargas podem ser mais ou menos intensas e algumas regies do planeta apresentam a tendncia a produzir mais descargas eltricas atmosfricas. [5]

    De acordo com a teoria mais aceita, as nuvens se eletrizam a partir das colises de partculas de gelo acumuladas em seu interior. Outra origem, que no exclui a primeira, estaria em efeitos resultantes da diferena de condutividade eltrica do gelo, devido a diferenas de temperatura no interior da nuvem. Durante as colises, as partculas de gelo perdem eltrons e transformam-se em ons, o que torna a nuvem eletricamente carregada. As partculas tm tamanho variado e, segundo medidas feitas por sondas meteorolgicas, as menores e mais leves ficam com carga positiva e as maiores e mais pesadas (partculas de gelo denominadas granizo) com carga negativa. [9]

    Alguns fatores como os ventos, a temperatura e fora da gravidade fazem com que cargas de mesmo sinal se concentrem em regies especficas da nuvem. Geralmente a parte inferior, a base da nuvem, e a parte superior ou topo da nuvem so os locais de maior acmulo de carga, de sinais contrrios, funcionando assim como as placas de um capacitor. Alguns raios ocorrem associados a tempestades de poeira ou a nuvens formadas por vulces ativos e, neste caso, acredita-se que os processos de eletrizao sejam semelhantes aos descritos acima para nuvens de gua. [9]

    2.2.2 - A induo de cargas e a quebra da rigidez dieltrica

    As cargas distribudas na base e no topo das nuvens produzem um campo eltrico interno, denominado campo eltrico intra-nuvem. Com o acmulo de cargas em sua superfcie externa, a nuvem pode provocar uma induo eletrosttica na superfcie de outras

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    nuvens ou no solo imediatamente abaixo. Neste caso cria-se um campo eltrico entre nuvens ou entre a nuvem e o solo, conforme descrito na figura 2.3 a seguir:

    Figura 2.3 Campo Eltrico Nuvem Solo [5]

    Enquanto os choques das partculas dentro da nuvem se intensificam, a quantidade de carga em sua superfcie aumenta e, consequentemente, o campo eltrico criado por essas cargas tambm se eleva. Com o aumento da intensidade desse campo, as molculas de ar entre as partes eletrizadas sofrem polarizao e se orientam de acordo com o campo eltrico. O efeito de polarizao se intensifica com o aumento da intensidade do campo, at o ponto em que eltrons so arrancados das molculas do ar. Este, dessa forma ionizado, se transforma em um condutor gasoso. [9]

    Genericamente, o valor de campo eltrico que provoca ionizao em um meio denominado rigidez dieltrica desse meio. No ar, a rigidez dieltrica varia com as condies da atmosfera. Quando o campo eltrico ultrapassa esse valor limite, diz-se que houve uma quebra da rigidez dieltrica do meio, transformando o isolante em condutor. Como conseqncia, os ons negativos e os eltrons livres do ar so fortemente atrados pelas cargas positivas presentes nas nuvens ou induzidas no solo, formando um caminho

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    chamado de canal condutor, conforme representao na figura 2.4. Assim sendo, o movimento de cargas negativas no canal condutor pode ocorrer tanto intra-nuvem como entre nuvens ou entre nuvem e solo. Cerca de 90% dos casos as descargas eltricas se originam na base da nuvem, quase sempre eletrizada negativamente. Portanto, em geral, uma carga negativa que inicia o processo de descarga eltrica atmosfrica.

    Figura 2.4 Canal Induzido [5]

    2.2.3 - O movimento da Carga Lder

    A primeira carga a se movimentar, na maioria das vezes vinda da base de uma nuvem, a Carga Lder ou Lder Escalonado, sendo chamada assim porque desce em etapas ou escalas, em intervalos de tempo praticamente uniformes. Algumas cargas seguem novos caminhos fora do canal principal, criando ramificaes em muitos pontos, isso porque h ons na atmosfera, distribudos de maneira no uniforme, o que acaba por atrair ou repelir essas cargas para um lugar indeterminado. As bruscas variaes de velocidade da carga lder produzem uma onda eletromagntica de freqncia superior da luz visvel, portanto

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    no perceptvel pelo olho humano, sendo seguido por outras cargas provenientes da base da nuvem criando-se uma corrente eltrica denominada raio.

    2.2.4 - Lderes Conectantes e Descarga de Retorno

    A Carga Lder, em geral negativa, aproxima-se de cargas positivas localizadas no solo ou nas nuvens. A carga acumulada no canal condutor produz um aumento na intensidade do campo eltrico entre as cargas, gerando uma nova quebra da rigidez dieltrica do ar. Por efeito dessa quebra, devido ao alto nvel de intensidade desse campo, ons positivos so arrancados do solo (ou da nuvem para onde as cargas negativas se dirigem). A intensificao do campo eltrico provoca o surgimento de vrios caminhos (canais) por onde esses ons se deslocam ao encontro da Lder. Os ons positivos so denominados Lderes Conectantes ou Descargas Conectantes.

    No caso de descargas nuvem - solo, esse segundo rompimento da rigidez dieltrica ocorre quando a Lder est cerca de 10 m de distncia do local de onde os ons positivos so arrancados. Essas cargas se encontram aproximadamente a meia distncia do percurso, completando assim o canal do relmpago. Todas as cargas negativas que seguem a Carga Lder movem-se atravs dos novos canais por onde passaram os ons positivos at alcanar os pontos de onde eles partiram. A descarga que saiu do solo continua seu movimento at a nuvem e passa a ser denominada Descarga de Retorno. Essa descarga ocorre com uma velocidade de cerca de um tero da velocidade da luz.

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    Figura 2.5 Descarga Atmosfrica, Fonte: http:\\www.raios.com.br

    2.2.5 - O relmpago

    As principais conseqncias das descargas eltricas atmosfricas (raios) so a luz (relmpago) e o som (trovo). Os relmpagos so produzidos basicamente pela radiao eletromagntica emitida por eltrons que, aps serem excitados pela energia eltrica, retornam aos estados fundamentais. Isto ocorre principalmente na descarga de retorno e por esta razo, no caso da descarga nuvem - solo, a gerao da luz feita de baixo para cima. A luz do relmpago bastante intensa devido grande quantidade de molculas excitadas. Pode-se observar que as ramificaes do canal so menos brilhantes pela menor quantidade de cargas presentes nessa regio. A gerao de luz dura cerca de um dcimo de segundo, atingindo aproximadamente 100 (cem) flashes por segundo.

    Portanto, os ftons produzidos no incio da trajetria, apesar de chegarem primeiro na retina do observador, conseguem mant-la sensibilizada at a chegada dos ftons provenientes do final da trajetria. Por isso, comum se pensar que o canal se iluminou todo de uma vez ou ainda que o relmpago caiu, vindo de cima para baixo, talvez por colocarmos a nuvem como nossa referncia. Geralmente a luz do relmpago de cor branca, mas pode variar, dependendo das propriedades atmosfricas entre o relmpago e o observador.

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    2.2.6 - Relmpagos mltiplos

    Quando h apenas uma descarga de retorno, o relmpago classificado como relmpago simples. Os relmpagos mltiplos acontecem quando a nuvem no se descarrega completamente durante o primeiro raio. Neste caso, a cargas remanescentes se acumulam novamente na base da nuvem e o fenmeno se reproduz atravs dos mesmos passos descritos anteriormente. A Carga Lder poder ser um Lder Contnuo (um lder que no desce em etapas e aproveita o canal que j existe), um Lder Escalonado (um novo lder formado quando todo o canal se desfaz) ou um Lder Contnuo - escalonado (se parte do canal se desfizer). A descarga de retorno ser denominada Descarga de Retorno subseqente unicamente no caso do Lder Contnuo.

    A maioria dos relmpagos do tipo mltiplo e o nmero mdio de descargas de retorno subseqentes geralmente de 3 a 5. O maior valor at hoje registrado foi de 42 descargas. um erro comum pensar que o raio nunca cai duas vezes no mesmo lugar. Sendo vrias as descargas positivas ou conectantes que saem do solo, se uma delas sair de um mesmo ponto (onde a primeira conectante saiu) indo ao encontro da nova Lder, ser possvel que isso ocorra. [5]

    Assim como o Lder Escalonado, o Lder Contnuo invisvel. Por outro lado, na maioria dos casos, o Lder Contnuo no possui ramificaes e sua descarga de retorno subseqente menos brilhante que a primeira descarga e pouco ramificada. O Lder Contnuo - escalonado ocorre quando, durante a descida de um Lder Contnuo, o canal se desfaz e ele tem que mudar para Lder Escalonado para poder completar o caminho. A Descarga de Retorno subseqente pode sair de um outro ponto do solo e seguir tambm um novo caminho, bifurcando o canal, conforme figura 2.6. Quase 1/4 dos relmpagos apresenta este efeito.

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    Figura 2.6 Descarga de Retorno, Fonte: http:\\www.raios.com.br

    2.2.7 - Raios nuvem - solo positivos

    Os raios entre a nuvem e o solo tambm podem iniciar por lderes positivos descendentes, correspondendo a movimentos de subida de cargas negativas (eltrons). A descarga de retorno resultante transporta cargas positivas da nuvem para o solo. Estes so os raios nuvem-solo positivos e, no geral, eles no se seguem de descargas de retorno subseqentes, sendo classificados como relmpagos simples. Eles causam maiores danos do que os negativos. Muitos acidentes como incndios em florestas e estragos em linhas de energia so causados por este tipo de raio.

    2.2.8 - Maior incidncia de Raios

    O raio, de um modo geral, incidir sempre nos pontos mais elevados em relao aos demais pontos, tais como: topo de morros, montanhas, sobre rvores isoladas, na ponta de pra-raios, em casas, entre outros. J dentro de um carro, por exemplo, as pessoas esto totalmente protegidas, pois alm de existir isolao em relao ao solo, no h condies de acmulo exagerado de cargas eltricas na parte metlica. Um fato interessante que se

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    observa na natureza que o raio prefere maus condutores como os calcreos. Isto se d porque o terreno mal condutor e a nuvem formam um grande capacitor.

    A enorme diferena de potencial entre a nuvem e o solo provoca a ionizao do ar e o aparecimento de um cheiro adocicado indicando a presena de oznio. A ionizao do ar diminui a distncia de isolao entre a nuvem e o solo, havendo maior probabilidade de o raio furar esta camada de ar, fazendo com que o raio caia neste terreno isolante (mal condutor). Como o terreno isolante, no h condies de escoamento do raio e este ao cair se espalha, procurando os caminhos de mais baixa resistncia. Nos Estados Unidos, Frana, Alemanha, baseados na localizao dos terrenos maus condutores e elevados, foram demarcados nos mapas os locais onde a probabilidade de incidncia de raios maior. Em regies onde h muita precipitao com tempestades, a incidncia de raios tambm maior.

    2.3 - ndice Cerunico

    ndice Cerunico (IC) um parmetro que indica o nmero de dias de trovoadas por ano em uma determinada localidade. Este dado mais realista quando se tem registro de muitos anos. O observador dever registrar as trovoadas dentro de sua localidade. A distncia estimada da ao do observador de um crculo com raio de 20 quilmetros. Registrando todos os ndices cerunicos em um mapa, e ligando os pontos de igual intensidade, obtm-se as linhas de mesmo ndice, isto , ndices isocerunicos. O mapa isocerunico do Brasil est apresentado na figura 2.7.

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    Figura 2.7 Mapa Isocerunico do Brasil, Fonte: http:\\www.inpe.gov.br

    Na Tabela 2.1 so apresentados os ndices cerunicos aproximados das capitais brasileiras:

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    Tabela 2.1 ndices Cerunicos das capitais brasileiras, http:\\www.inpe.gov.br Cidade ndice Cerunico Aracaju 5,0 Belm 112,0

    Belo Horizonte 41,0

    Braslia 62,0

    Campo Grande 89,0

    Cuiab 92,0 Curitiba 53,0

    Florianpolis 54,0 Fortaleza 18,0

    Goinia 39,0

    Joo Pessoa 12,0

    Macap 118,0

    Macei 5,0 Manaus 100,0

    Natal 10,0

    Palmas 118,0

    Porto Alegre 21,0

    Porto Velho 58,0 Recife 5,0

    Rio Branco 62,0

    Rio de Janeiro 24,0 Roraima 38,0

    Salvador 8,0

    So Luis 35,0 So Paulo 42,0

    Teresina 70,0

    Vitria 38,0

    2.4 - Medidores e Contadores de Descargas

    A descarga atmosfrica, sendo um fenmeno rpido e de incidncia aleatria, sempre causou indignidade e frustraes nas suas medies. Mesmo assim, vrios pesquisadores desenvolveram, ao longo dos anos, diversos aparelhos, cada qual com suas particularidades, para tentar detectar e medir algumas caractersticas do raio. Alguns destes aparelhos esto relacionados a seguir:

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    Caleidogrfico: um dispositivo que aproveita os fortes campos eletrostticos do raio para, por induo num centelhador, registrar formas (espectros) numa pelcula de material fotogrfico;

    Ampermetro Magntico: um aparelho que utiliza o forte campo magntico do raio para magnetizar uma pequena placa de material magntico. O valor da magnetizao corresponde ao valor da corrente de crista do raio;

    Oscilgrafo de Raios Catdicos: um osciloscpio conectado convenientemente a um circuito sensvel a variao do campo eletromagntico do raio. Com este aparelho pode-se analisar o desempenho do raio;

    Registrador Fotogrfico: uma mquina fotogrfica rotativa desenvolvida para captar no filme o desenvolvimento da descarga do raio;

    Ceraunmetro: um aparelho contador de descargas. Seu princpio de funcionamento ser sensvel intensidade e variao do campo magntico da descarga do raio, inclusive do seu ngulo de incidncia.

    H, tambm, vrios aparelhos eletrnicos desenvolvidos com antenas de captao de ondas eletromagnticas provenientes do raio. Estes aparelhos, colocados e espalhados estrategicamente numa regio, podem medir e localizar por triangulao a posio exata da queda do raio, medindo inclusive o ngulo de inclinao do raio, sua forma, tempo de descarga, grau de luminescncia e presso proporcionada pela trovoada. Seu grau de ao de acordo com a sensibilidade do aparelho pode atingir at 200 km.

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    2.5 - Densidade de Raios

    Densidade de raios a quantidade de raios que caem em uma determinada regio durante um perodo estipulado. Um ndice muito utilizado o DR, isto , Densidade de Raio por km durante um ano. Este ndice pode ser obtido por observao ou medio atravs de contadores de descarga atmosfrica. Por exemplo, colocam-se contadores numa determinada regio para proceder, em intervalos de tempo, a medida da quantidade de raios incidentes no solo, bem como sua intensidade.

    Estudos prolongados desenvolvidos por tcnicos ingleses, como base em dados estatsticos obtidos nas Ilhas Britnicas, Europa e Austrlia, mostraram haver relao entre o ndice cerunico e a densidade de raios por km no mesmo perodo. Esta relao dada pela expresso 2.1.

    63,10024,0 ICDR = (2.1)

    Onde IC o ndice cerunico

    2.6 - Tipos de Raios

    H raios simples e mltiplos. Uma classificao menos cientifica dividir o raio em explosivos e incendirios. Os raios explosivos so de curta durao com alto valor de corrente eltrica. o raio de ao fulminante, capaz de rachar uma rvore. J o raio incendirio de longa durao com correntes eltricas menores. Este raio, ao cair em postes de madeira ou rvores, provoca a combusto. [12]

    O raio pode agir indiretamente atravs dos campos eltricos e magnticos por ele gerados. A corrente eltrica do raio alternada e, nos trechos nos quais aparentemente contnua, ela na realidade contnua - pulsante, ou seja, a corrente varia muito rapidamente no tempo. Isto produz, momentaneamente, um forte campo magntico varivel que abrange uma grande rea. Este campo magntico atrai, derruba ou arrasta qualquer objeto de propriedades magnticas. Este efeito, muitas vezes passa despercebido. A rpida variao

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    do campo magntico tambm responsvel pela induo de tenso nas redes de distribuio e de transmisso de energia eltrica. Este pulso de tenso induzido causa enormes problemas a rede de energia eltrica, produzindo danos nos equipamentos e isoladores. [12]

    2.7 - Forma do Raio

    Uma grande preocupao saber a forma do impulso da corrente de descarga do raio, que escoa entre a nuvem e terra ou entre nuvens. Aps exaustiva analise de sucesso de fotografias e registros dos oscilgrafos, obteve-se a forma da onda do impulso de descarga, bem como a sua durao. A durao de aproximadamente 200 s, sendo sua subida, isto , sua frente de onda, muito rpida, na ordem de 1,2 s e o tempo de meia cauda, de 50 s, conforme figura 2.8.

    Figura 2.8 Formato do raio, Fonte: Kindermann, (1997)

    Pela figura acima, pode-se definir alguns termos importantes da descarga do raio:

    Frente de onda: Corresponde ao perodo da subida da corrente ou tenso do raio. Esta durao nfima, no valor estimado de 1,2 s. A frente da onda corresponde ao fulminante do raio;

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    Valor de crista: o valor mximo alcanado pela corrente ou tenso do raio;

    Cauda do raio corresponde forma do raio, desde o valor de crista at o final do raio. Este perodo longo e suave, correspondendo a 200 s.

    Perodo ou Tempo de Meia Cauda o tempo em que a cauda atinge o valor de meia crista. Este valor corresponde a 50 s.

    Em termos de efeito e danos, basta considerar o raio at o seu perodo de meia cauda, isto porque, se o equipamento a ser protegido sobreviver ao raio at a meia cauda, o restante do perodo da cauda final ser mais suave e de menor intensidade.

    Observe-se que os seres humanos no esto acostumados a perceber fisicamente a dimenso do tempo do raio. Esta durao, que da ordem de 200 s, nfima, praticamente imperceptvel em relao noo de nossa dimenso de tempo. Considerando que uma piscada de olho humano dure 100 ms, o tempo de uma piscada corresponde a 500 raios-padro.

    2.8 - Valores dos Raios

    A gama de variao dos valores dos raios uma questo preocupante, exigindo maiores estudos, principalmente no tocante aos raios mais tpicos. Valores medidos e registrados esto indicados na Tabela 2.2.

    Tabela 2.2 Valores do Raio, Fonte: Kindermann, (1997) Registros Coletados Valores

    Corrente 2000 a 200.000 Amperes Tenso 100 a 1.000.000 kV

    Durao 70 a 200s Carga eltrica da nuvem 20 a 50 C

    Potncia liberada 1000 a 8.000 milhes de kW Energia 4 10 kWh

    Tempo de crista 1,2 s Tempo de meia cauda 50 s

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    Note-se que a energia liberada relativamente pequena e a potncia gigantesca, mas de pouca durao. Estudos estatsticos internacionais mostram que a energia total liberada pelos raios na terra corresponde insignificante taxa de 20 W/km. Isto corresponde a um milionsimo da energia por km recebida pela terra por radiao solar.

    2.9 - Magnitude de Corrente do Raio

    Medies efetuadas por investigadores internacionais mostram, atravs da Tabela 2.3, a distribuio aproximada para a magnitude da corrente de descarga direta dos raios na terra.

    Tabela 2.3: Descargas Diretas do Raio, Fonte: Kindermann, (1997) DESCARGAS DIRETAS DE RAIOS

    0,1% excedem 200.000 Amperes 0,7% excedem 100.000 Amperes 6,0% excedem 60.000 Amperes

    50,0% excedem 15.000 Amperes

    A grande maioria de raios diretos na terra tem magnitude de at 15kA. Raios de altssima intensidade podem ocorrer quando uma nuvem extremamente carregada se aproxima do solo, empurrada e abaixada pela ao de correntes de ar descendentes. Este fenmeno, apesar de raro, pode ocorrer em dias normais, isto , sem chuva. Neste caso, a nuvem (muito baixa) quebra a rigidez dieltrica do ar, e o raio de grande intensidade, conhecido como raio seco, conforme figura 2.9.

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    Figura 2.9 Raio Seco, Fonte: Kindermann, (1997)

    Outra possibilidade, de maior ocorrncia, acontece quando a nuvem se aproxima de uma elevao, morro ou montanha. Devido a sua inrcia, o deslocamento horizontal faz com que a nuvem se aproxime muito da encosta da elevao, diminuindo a distncia efetiva e possibilitando o raio, chamado raio na encosta, conforme figura 2.10.

    Figura 2.10 Raio na Encosta, Fonte: Kindermann, (1997)

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    3. EFEITOS DO RAIO EM ESTRUTURAS

    A deciso de proteger uma estrutura contra os raios pode ser uma exigncia legal, uma precauo do proprietrio para evitar prejuzos ou ainda uma exigncia das companhias de seguro, j que os raios so causas de danos fsicos e incndios. As normas devem fornecer subsdios para os legisladores, proprietrios e agentes de seguros decidirem quando h necessidade de proteo. Neste item, procura-se abordar o assunto relativo aos danos das descargas atmosfricas em diversas estruturas tpicas. De um modo geral, ainda grande o desconhecimento e o grau de incerteza do efeito, da ao e da proteo contra a descarga atmosfrica. Para se ter uma idia da evoluo lenta que existe sobre o assunto, interessante ressaltar que, desde a proposta de Benjamim Franklin de utilizar uma haste para proteo contra descargas atmosfricas, pouco se desenvolveu no sentido de evitar as descargas atmosfricas, e isto se deu h 200 anos. Hoje, a utilizao de pra-raios de Franklin em estruturas elevadas tem mostrado na prtica que as laterais dos edifcios no esto bem protegidas e deve ser complementada com outro tipo de proteo.

    3.1 Nveis de Proteo Contra Descargas Atmosfricas

    Definem-se, para diversas estruturas, nveis de proteo a serem usados pelo engenheiro de proteo contra descargas atmosfricas. Apesar de no haver dados que orientem a escolha do nvel de proteo adequado, existem quatro nveis que so apresentados na tabela 3.1.

    Tabela 3.1 Nveis de Proteo Contra Descargas Atmosfricas, Fonte: NBR 5419, (2005) Nvel de Proteo Caracterizao da Proteo

    I Nvel Maximo de Proteo II Nvel Mdio de Proteo III Nvel Moderado de Proteo IV Nvel Normal de Proteo

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    3.2 Eficincia do SPDA

    Existem descargas atmosfricas de diferentes tipos e intensidades. Por este motivo, um sistema de proteo no pode ser dito seguro para todos os nveis de descarga atmosfrica. Raios raros, de altssima intensidade, podem danificar o sistema de proteo ou mesmo causar danos na estrutura de uma edificao, desde danos fsicos na estrutura do prdio e at danos aos equipamentos eltricos e eletrnicos localizados no interior da edificao.

    Especialistas internacionais, aps anos de anlises, produziram uma estimativa estatstica da eficincia do sistema de proteo contra descarga atmosfrica, de acordo com o nvel de proteo desejado. O grau de eficincia representado na Tabela 3.2.

    Tabela 3.2 Eficincia dos Nveis de Proteo, Fonte: NBR 5419, (2005) Nvel de Proteo Eficincia da Proteo

    I 98% II 95% III 90% IV 80%

    Conforme tabela 3.2, deve-se considerar o fato de a probabilidade de o raio cair no sistema de proteo contra descargas atmosfricas ser varivel, no havendo a garantia de proteo, mas apenas a estimativa da proteo. O sistema de proteo utilizado no est relacionado com a probabilidade de queda do raio na estrutura, mas sim com a sua eficincia de captar e conduzir o raio a terra.

    3.3 - Classificao e os Efeitos dos Raios na Estruturas

    Para efeito de anlise e projeto, as diversas estruturas tpicas existentes so classificadas de acordo com os efeitos e danos (riscos) que possam vir a sofrer por ao de uma descarga atmosfrica. So elas:

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    Estruturas Comuns: So estruturas cujas preocupaes so os efeitos do raio na prpria estrutura.

    Estruturas com Danos Confinados: So estruturas onde, alm do dano comum, existe a preocupao tambm com relao atividade interna executada.

    Estruturas com Perigo aos Arredores: So estruturas em que alm dos riscos anteriores, h riscos e prejuzos nas estruturas adjacentes, ou de uma regio.

    Estruturas com Danos ao Meio Ambiente: So estruturas que alm dos danos prprios, h riscos ao meio ambiente de modo temporrio ou permanente.

    Na tabela 3.3, apresentam-se as classificaes e agrupamentos das estruturas e os efeitos causados pela descarga atmosfrica.

    Tabela 3.3 Classificao das Estruturas, Fonte: NBR 5419, (2005) CLASSIFICAO DAS ESTRUTURAS ESTRUTURAS TPICAS EFEITOS DOS RAIOS

    Residncias Perfurao da isolao de instalaes eltricas, incndio e danos materiais. Danos normalmente limitados a objetos no ponto de impacto ou no caminho do raio

    Fazendas

    Risco primrio de incndio e tenses de passo perigosas. Risco secundrio devido interrupo de energia, e risco de vida a animais devido perda de controle eletrnico, ventilao, suprimento de alimentao, etc.

    Teatros, Escolas, Lojas de Departamento, reas esportivas, e igrejas.

    Danos s instalaes eltricas e possibilidade de pnico. Falha do sistema de alarma contra incndio, causando atraso no socorro.

    Bancos, Companhia de Seguros, Companhia, Comercial,

    Conseqncias adicionais na ligao com a perda de comunicao, falha dos computadores e perda de dados.

    Hospitais, Casas de Repouso e Prises Efeitos adicionais a pessoas em tratamento intensivo, e dificuldade de resgate de pessoas imobilizadas.

    Indstrias Efeitos adicionais dependendo do contedo das fabricas, variando de danos pequenos a prejuzos inaceitveis e perda da produo.

    Estruturas Comuns

    Museus, Locais, Arqueolgicos Perda de tesouros insubstituveis.

    Estruturas com danos confinados Telecomunicao, Usinas de fora, Indstria com risco de incndio

    Inaceitvel perda de servios ao publico por pequeno ou longo perodo de tempo. Conseqente perigo s imediaes devido a incndios, etc

    Estruturas com perigo aos arredores Refinarias, Depsitos de Combustveis, Fbricas de inflamveis, Fabricas de munio Conseqncias de incndio e exploso da instalao para os arredores.

    Estruturas com danos ao meio ambiente Instalaes, Qumicas, Laboratrios, Instalaes nucleares, Bioqumicas

    Fogo e mau funcionamento da fbrica com conseqncias perigosas ao local e ao meio ambiente como um todo.

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    3.4 - rea de Captao do Raio em uma Estrutura

    Se imaginarmos uma placa colocada em um terreno plano, o nmero de raios que cairia sobre ela seria determinado pelo produto da sua rea pela densidade de raios da regio. No entanto, se a placa for levantada do cho a uma determinada altitude, ela passar a receber no s os raios correspondentes sua rea, mas tambm aqueles que cairiam nas proximidades e seriam desviados para ela por sua presena, de forma que, quanto maior for altura, maior ser o nmero de raios que sero desviados das vizinhanas para a placa. Chamamos rea de atrao ou rea de captao de uma estrutura a sua rea aumentada de uma rea proporcional altura, de modo a poder calcular o nmero de raios que estatisticamente devem cair por ano sobre a estrutura. Se for aumentando o fator de proporcionalidade com a inteno de levarmos em conta todos os raios que podem cair por ano sobre a estrutura, podemos a partir de um determinado valor, estar considerando tambm raios que no cairo sobre a estrutura e, portanto, superestimaremos a necessidade da proteo. A norma de proteo de estruturas mais antiga que introduziu o conceito de rea de captao foi a Inglesa BS 6651 de 1965 e em 1985 foi realizada uma reviso no procedimento de clculo, mantendo-se o conceito bsico.

    Para uma rea retangular LW a rea de atrao ser:

    222 HWHLHLWAa pi+++= (3.1)

    Figura 3.1 rea de Atrao

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